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无锡国劲合金有限公司
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阅读：145发布时间：2017-2-10
随着聚变堆项目的发展,核结构材料的辐照损伤研究受到了越来越广泛的关注,成为了材料科学与核能研究领域的热点问题。低活化铁素体／马氏体钢(Reduced-activation Ferritic/Martensitic,简称RAFM)由于具有良好的抗辐照肿胀性能、良好的加工性能以及经济性等优点被普遍认为是核聚变反应堆*壁结构材料的重要候选材料。研究低活化铁素体/马氏体钢的辐照损伤,对揭示辐照引起材料微观结构和性能的变化、理解材料的辐照损伤机制以及探索开发新型抗辐照损伤材料都具有重要的意义。采用离子和电子对低活化铁素体/马氏体钢及其模型合金进行了辐照,通过高分辨电镜以及扫描透射电镜对材料辐照后的微观结构如位错环、辐照析出以及空洞等进行了详细的观察和表征,结合原位超高压电镜对材料辐照条件下微观结构的演变进行了实时原位观察和分析,并利用纳米压痕以及其它力学测试手段对材料辐照前后的力学性能进行测试,对辐照对材料微观结构和力学性能的影响进行了研究。所获得的创新性成果如下：室温氘离子注入到模型合金中,会产生大量的尺寸比较小的位错环等缺陷,获得了注氘铁合金中位错环的高分辨,同时原位观察位错环在各个温度电子辐照下的动态演变情况,根据位错环在不同温度下长大速率的不同计算得出注氘Fe-Cr模型合金中的空位迁移能为0.66±0.1eV。室温注氘纯铁的实验表明,室温氘离子注入先产生间隙型位错环,随后在753K温度下退火30min后会形成空位型位错环。该空位型位错环的柏氏矢量为[100],在随后的电子辐照下会缩小直至消失,其缩小速率与电子辐照剂量有关。而相比氢而言,更高的空位形成温度,意味着氘和空位结合得更紧密。高温(773K)氘离子注入到模型合金中,不仅会产生大量的位错环等缺陷,还产生了一种纳米级的针条状分布的析出物,它们总是沿[100]方向排列。该析出物为一种B2结构的新相,晶格常数与铁相同,成分上富Cr,空间群为pm3m。同时通过原位电子辐照和观察发现,在随后的辐照下,析出物尺寸和结构比较稳定,并在一定程度上阻碍了周围位错环的生长。同时加硅和不加硅的CLAM钢的微观结构和力学性能测试表明,少量硅的添加,提高了材料中碳的活度,促进了钢中细小的MC相析出,从而强化了CLAM钢使其强度增加。而辐照后具有更多细小弥散MC相的CLAM表现出更低的辐照硬化率,同时微观结构观察发现的析出物周围位错环的密度减小。结合辐照产生纳米析出物的结果可知细小弥散的析出物提高了材料中的界面体积比,降低周围点缺陷的浓度,表现为位错环密度降低或位错环长大速率降低以及材料辐照硬化率降低,从而为提高材料的抗辐照性能提供了一种思路。而注入大剂量氦后两种钢中都产生大量的氦泡,对两种钢辐照后的微观结构进行了大量的表征,探讨了氦泡的形成和长大机制。由于离子辐照材料的深度有限,无法采用标准的力学性能测试,纳米压痕测试方法被广泛的用来评价材料经离子辐照后的力学性能。然而目前没有一个很好的纳米压痕数据分析模型来合理解释离子辐照材料辐照后的硬度。发展了一种新模型来获得离子辐照材料的纳米压痕硬度,实验结果表明,该模型能很好的拟合纳米压痕测试数据,获得材料辐照后的辐照层的硬度,有望进一步拓宽纳米压痕技术在辐照损伤研究领域的应用。
高温合金是一种可以在持续高温下使用的金属材料,其本身具有很多优良的特性,如抗高温氧化腐蚀、抗热疲劳性能、良好的热塑性、耐应力腐蚀等,在发动机、燃气轮机及烟气轮机等部位应用广泛。在较长的使用时间与严苛的使用环境下,其本身会发生力学性能的退化、氧化腐蚀、疲劳及高温蠕变等退化。复合镀是基于电镀技术发展而来的一种增强金属表面硬度及耐磨性等的技术。为提高高温合金本身硬度、耐磨性与热性能,使用复合镀技术在其表面生成一层沉积层。使用正交试验与单因素试验确定了复合镀的工艺条件。当电镀温度为40℃,电流密度为4A/dm2,搅拌速率为200r/min,颗粒添加量为5g/L,时间宜选择70min时镀层的硬度zui大,为642.6HV。通过极差分析与方差分析知,温度对试验结果有显著性影响,过高的温度不利于镀层硬度的提升。通过对颗粒添加量与时间的单因素探讨得知,颗粒的沉积符合两步沉积理论,后期颗粒的沉积速率变慢。通过金相分析得知,闪镀工艺对镀层的结合力至关重要,同时闪镀层可以使镀层表面更加平整、光亮。复合镀层与光亮镀镍层的硬度、耐蚀性优于高温合金本身。对比复合镀层与镀镍层的显微形貌,发现同样的电镀工艺下,复合镀层比镀镍层拥有更小的晶粒尺寸,这是其硬度提升的因素之一。复合镀层与镀镍层磨损方式不同,复合镀层磨损为粘着磨损而镀镍层为挤压磨损。比较镀镍层与复合镀的耐蚀性发现,二者耐蚀性优于高温合金,且具有更小的腐蚀速率,一周期盐雾试验后,腐蚀面积更小。通过热处理能提高镀层表面硬度却降低了镀层表面耐蚀性。通过XRD测试发现,镀层在200℃热处理过程中,晶粒有所细化,为15.40nm,在此过程中硬度得到加强,增大至672.4HV。温度继续增加,晶粒变大,400℃时增大至47.15nm。热处理时间过长导致镀层表面发生轻微氧化,热处理2h时的硬度zui大。300次热疲劳后镀层表面没有发生断裂、脱落说明镀层热性能良好。
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