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扩散退火时间消除9Cr2WVTa钢接头高温铁素体的研究文献综述

来源:毕业论文网2020-08-05 10:08

文献综述 1、课题研究意义和背景 核聚变结构材料的研究开始于上世纪80年代,经过近40年的设计与研究目前已经比较成熟。80年代初,核聚变结构材料主要是处于实验室研究阶段。随着国际合作的开展,特别是ITER(国际热核聚变实验堆)计划的开展,目前聚变材料的研究主要沿着ITER和DEMO动力堆两个方向[1]。 铁素体/马氏体钢最初是在35年前被引入聚变材料计划列表中,之后的研究逐步展示了其相比于奥氏体不锈钢所具有的优异的抗肿胀性能和热导性。最早被考虑作为铁素体/马氏体钢研究的是9-12%Cr-Mo系钢[2],而低活化钢的真正发展则始于30年前,主要是欧洲、美国、日本等考虑到中子辐照诱发的Mo、Nb、Ni等长寿命放射性元素的存在,在改进的9Cr-1Mo钢和HT-9(12Cr-1Mo-0.3V)钢的基础上,用低放射性的W、V、Ta代替高放射性的Mo、Nb和Ni,从而实现低活化效果,进而使低活化铁素体/马氏体钢具有较好的抗辐照肿胀性能和力学性能,也因此低活化铁素体/马氏体钢被视作聚变堆第一壁结构的首要候选材料[3]。 在低活化铁素体/马氏体钢的合金元素析出相中,V和Ta作为碳化物形成元素与碳作用形成M2X或者MX型碳化物颗粒[4],起到钉扎位错,从而改善室温力学性能和高温蠕变性能的作用,同时MX碳化物颗粒能够阻止奥氏体晶粒的长大,从而细化低活化钢的晶粒,进而改善低活化钢的整体力学性能;W可与碳形成碳化物,起到固溶强化的作用,同时W还可以提高低活化钢的回火稳定性、降低其韧脆转变温度[5];另一方面,W含量的增加会导致Laves相的大量出现,而Laves相的出现会严重影响低活化钢的韧性,所以需要控制W的含量,在保证低活化钢韧脆转变温度的同时不会有大量Laves相的出现[6]。 低活化钢中C是奥氏体形成元素,并且C能够与其他金属元素形成碳化物,起到强化作用,同时C含量还会影响低活化钢的肿胀率。研究发现,低活化钢中C含量控制在0.1wt%时性能最佳,因此日本的JLF-1钢和F82H钢、欧洲的Eurofer97钢以及中国的CLAM钢中的C含量都在0.1wt%左右[7];Cr是铁素体形成元素,Cr元素的存在能够形成钝化膜,从而保证低活化钢的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能[8]。 此外,低活化铁素体/马氏体钢中的δ-铁素体的存在会严重影响材料的力学性能,一方面是由于δ-铁素体本身硬度较低,塑韧性差,δ-铁素体的存在还会破坏基体组织的连续性,另一方面δ-铁素体本身是富W、V和贫Mn相,其周围的马氏体组织因贫Mn而在后期回火过程中由于高温回火脆性增加而导致实验钢塑性更差,因此后期热处理过程中要尽量避免δ-铁素体相的出现,从而消除其对实验钢性能的影响[9]。 2、国内外研究现状 目前国际上研究比较成熟的低活化钢主要有以下几种:日本JFE钢铁公司与日本原子能源机构合作研究开发作为IEA(国际能源机构)核聚变材料的F82H钢,日本大学开发的JLF-1钢,EFDA(欧洲聚变发展协议)框架内发展的Eurofer97钢,以及中科院等离子体物理研究所(FDS)与其他高校或研究所合作研究开发的中国低活化马氏体(CLAM)钢。 F82H钢是日本JFE钢铁公司与日本原子能源机构合作研究开发作为IEA(国际能源机构)核聚变第一壁结构材料的低活化钢。相比于其他钢,F82H钢的韧脆转变温度辐照前后都比较低,因此被认为是很有潜力的核聚变第一壁候选材料[13]。F82H钢的机械性能在辐照前后都略优于改良后的9Cr1Mo钢,高温水中的相容性也优于HT9钢,其热物理性能接近于传统的9Cr钢,铁磁性带来的影响在可控制范围内[14];和奥氏体钢比较,F82H钢抗肿胀性能、耐腐蚀性能、结构稳定性和热导率等都比较优异。 JLF-1钢是在9Cr-1Mo耐热钢的基础上通过改变部分合金成分,从而降低中子辐照环境下的敏感性而得到的低活化钢,其合金元素选择的依据则是保证其辐照环境下与其他9Cr-1MoVNa钢相比拟的机械性能[15]。JLF-1钢晶粒尺寸较小,其强度和塑性等性能优异,而且具有较好的低温辐照脆性和抗辐照蠕变性能。
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