SCRAM钢的热处理工艺优化研究

摘要

低活化铁素体/马氏体（Reduced Activation Ferritic/Martensitic，RAFM）钢因其具有高的热导率、低的热膨胀系数、优良的抗辐照性能，并且与氚增殖剂、冷却剂等具有良好的兼容性，成为未来核聚变反应堆用首选结构材料之一。但现有的低活化钢经过辐照以后会产生辐照肿胀，辐照脆化、硬化等问题，需要寻求一定的方法改善和提升其抗辐照性能以及蠕变性能。
　　本文以本课题组自主研发的新体系超洁净低活化马氏体钢（Super-clean Reduced Activation Martensitic Steels，简称SCRAM钢）为研究对象，为进一步改善其综合力学性能，细化微观组织并最终提升其抗辐照性能以及高温蠕变性能，对 SCRAM钢进行了不同的热处理，研究了热处理工艺对 SCRAM钢的力学性能，微观组织的影响，并获得了以下有价值的研究成果：
　　通过 Thermo-Calc热力学计算软件，从理论上对比了新的9Cr-WVTiN体系与Cr-W-V-Ta体系的低活化马氏体钢的热稳定性。计算结果表明，Ti，N元素的引入，导致钢中TiN，VN的析出，并且其初始析出温度远远高于TaC和VC，即其热稳定性要分别高于TaC，VC；适当的提高Ti和 N的含量，将有助于增加TiN以及 VN的热稳定性。同时，热力学计算的结果亦表明，本课题组自主研制的SCRAM钢中，M23C6相的初始析出温度在870℃以下，而MX相的初始析出温度远远高于870℃。
　　根据热力学计算的结果，设计的两次淬火一次回火热处理工艺可以有效的细化马氏体板条，其平均尺寸由0.51μm降低到0.42μm，得到了显著的细化。而析出物的平均尺寸有略微的粗化，由传统工艺下的83nm粗化到86nm。SCRAM钢的DBTT值由传统工艺下的-40℃降低到-61℃，通过细化马氏体板条组织，SCRAM钢的性能得到了显著的改善。但是由于该工艺是连续的两次淬火，可能造成材料内部产生微裂纹，不适用于工业化上大工件的热处理。
　　在1050℃奥氏体化1小时，随后在870℃保温1小时再进行淬火处理，该工艺有效的细化了析出物。热力学计算的结果表明，SCRAM钢中M23C6相的初始析出温度在870℃以下，在870℃保温1小时的过程中，M23C6相还未开始在基体中析出，MX相得到充分的析出，基体中C含量降低，导致在随后的处理过程中M23C6相的尺寸的减小。经该工艺处理后，SCRAM-3钢以及SCRAM-6钢的析出物的平均尺寸分别由传统工艺下的80nm，83nm降低到64nm和71nm。但由于高温区保温时间过长，马氏体板条的尺寸分别由传统工艺下的0.44μm，0.51μm粗化到0.86μm和0.72μm。DBTT值则分别由传统工艺处理后的-23℃，-41℃降低到-40℃和-43℃。该结果表明，细化析出物可以提高材料的力学性能，并且能够弥补马氏体板条粗化造成的材料性能的降低。
　　通过将上述两种工艺有机的结合，设计出了一种具有中间随炉冷却过程的两次淬火两次回火的热处理工艺，并以传统工艺以及两次淬火两次回火工艺作为对比工艺。传统工艺处理后，SCRAM-3钢的马氏体板条的平均尺寸为0.75μm，析出物的平均尺寸为94nm，而两次淬火两次回火后其尺寸分别为0.61μm，70nm，经具有中间随炉冷却过程的两次淬火两次回火工艺处理后其尺寸分别为0.66μm，60nm。DBTT测试的结果表明，传统工艺处理后，SCRAM-3钢的DBTT为-24℃，而经过两次淬火两次回火热处理工艺处理后其DBTT为-40℃，经最优化的热处理工艺处理后，其DBTT为-43℃。可见，细化析出物以及板条组织可以更为有效的降低DBTT值，并且析出物的细化可以弥补板条粗化造成的材料性能的下降。
　　对经过不同热处理工艺处理的SCRAM-3钢进行He离子辐照，并采用薄片冲击试样评价其辐照硬化的程度。传统工艺处理后SCRAM-3钢在辐照后其冲击硬化率为-18.86％，而经过两次淬火两次回火处理后其硬化率为-12.74%，经最优热处理工艺处理后其硬化率为-7.92%，可见，通过适当的热处理工艺细化SCRAM钢的微观组织，增加其晶界/相界面可以有效的提升其抗辐照性能。通过在550℃下，应力为270MPa的蠕变实验结果可以表明，适当的热处理工艺细化析出物，增加 SCRAM钢的位错密度可以提升其蠕变性能，最优热处理工艺处理后，蠕变实验后其延伸率仅为0.8%，而在传统工艺下以及两次淬火两次回火处理后，其延伸率分别为2.3%和1.6%。

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1绪论

1.1课题研究背景

1.2 RAFM钢的国内外研究现状

1.3 RAFM钢服役性能和组织演变规律

1.4 改善RAFM钢的抗辐照性能的措施

1.5选题的目的、意义、及技术路线

2 实验材料、流程、设备

2.1实验材料与实验仪器

2.2 实验内容及流程

3 Thermo-Calc热力学计算

3.1 Cr-W-V-Ti-N与Cr-W-V-Ta体系的RAFM钢的对比

3.2 Cr-W-V-Ti-N体系的RAFM钢的主要析出物的析出行为

3.3 本章小结

4.细化马氏体板条的热处理工艺优化研究

4.1 实验材料与方法

4.2 实验结果及分析

4.3 本章小结

5. 细化SCRAM钢析出物的热处理工艺优化研究

5.1 实验材料与方法

5.2 实验结果及分析

5.3 本章小结

6. 综合细化SCRAM钢的微观组织的优化研究

6.1 实验材料与方法

6.2 实验结果及分析

6.3 本章小结

7. 热处理工艺对SCRAM抗辐照性能以及蠕变性能的影响

7.1 实验材料与方法

7.2 热处理工艺对SCRAM钢的抗辐照性能的影响

7.3 热处理工艺对SCRAM钢的蠕变性能的影响

7.3 本章小结

8 全文总结

8.1总结

8.2 进一步工作

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间获得的奖励