CLAM钢TIG焊焊缝微观组织及其在550℃静态铅铋中腐蚀行为的研究

摘要

CLAM钢是聚变堆候选材料之一，主要是因为其具备优良的高温力学性能及高温蠕变性能。聚变堆结构复杂，焊接是聚变堆建造过程中必不可少工艺之一，能否解决CLAM钢焊接问题是其能否运用于聚变堆的关键，因此研究CLAM钢焊接性能具有重要意义。CLAM钢作为第一壁候选材料，在工作过程中要与液态金属冷却剂接触，液态LBE是聚变堆冷却剂候选材料，因此研究CLAM钢焊缝在液态LBE中的腐蚀行为也十分必要。
　　本研究通过制备不同W含量的焊丝做为填充材料对CLAM钢进行焊接，焊丝成分在母材的基础上改变焊丝中W的含量，其中W的含量分别为1.5％，3.0%，4.5%。采用不同W含量的焊丝对5mm厚 CLAM钢TIG焊时，在试验设计成分范围内，当W含量增加时，WC析出量增加。当加入的W为3.0%时，焊缝的板条组织最为细小，抗拉强度最大，平均抗拉强度达到671.6Mpa，焊接接头拉伸断口有少量韧窝，表现为整体脆性断裂局部韧性断裂。当W含量为4.5﹪时，焊缝的硬度最大。焊缝中存在M23C6型碳化物存在，M的主要元素为Cr、Fe、W、Mn。对比未焊后热处理及焊后760℃/1h热处理发现，未焊后热处理的焊缝冲击吸收功仅为10J，焊后热处理的焊缝冲击吸收功110J，焊后热处理会大大增加焊缝的冲击吸收功，显著提高焊缝的冲击韧性。采用不同的热输入对3mmCLAM钢进行焊接，焊接热输入为1.32KJ·mm-1时，δ铁素体的含量为1.6%，焊接热输入为2.31KJ·mm-1时，δ铁素体的含量为3.5%，随着焊接热输入的增加δ铁素体的含量也随之增加。V含量对CLAM钢焊缝中δ铁素体含量有显著影响，随着V含量的增加，焊缝中δ铁素体含量会随之增加。焊接热输入为2.31KJ·mm-1时，填充材料中V含量从0.20%增加至0.50%时，焊缝中δ铁素体含量由3.5%增加至5.7%。δ铁素体大都分布在原奥氏体晶粒的位置，降低CLAM钢焊缝的冲击韧性。为控制焊缝中δ铁素体的含量，填充材料中V的含量不应过高，同时尽量采用小的焊接热输入进行焊接。对CLAM钢焊接接头进行550℃液态LBE合金500h和1000h腐蚀试验发现，经过500h和1000h腐蚀后，失重分别为为0.532 mg·cm-2、0.7872 mg·cm-2；腐蚀速率分别为1.0638mg·m-2·h-1、0.7872 mg·m-2·h-1，平均腐蚀深度分别为0.64μm、1.0067μm，焊缝腐蚀速度随时间下降。焊缝经过腐蚀后，焊缝表面形成双氧化层。外氧化层为Fe3O4，该氧化层质地疏松，且存在较多的小孔，内氧化层为致密的FeCr2O4。氧化膜对基体具有一定的保护性且内氧化层对基体保护性能更好。

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第一章 绪 论

1.1中国能源现状及发展

1.2核裂变与聚变

1.3 ITER计划及中国受控核聚变研究

1.4聚变堆用结构材料

1.5聚变堆用结构材料RAFM钢及其焊接

1.6 CLAM钢腐蚀研究现状

1.7本文研究内容

第二章 试验材料及方法

2.1试验材料及其制备工艺

2.2试验材料的化学成分

2.3试验材料的力学性能

2.4试验材料的微观组织

2.5主要试验设备

2.6焊丝的制备及焊接过程

2.7焊缝显微组织分析

2.8焊接接头力学性能测试

第三章 钨含量对CLAM钢焊缝微观组织及性能的影响

3.1试验过程

3.2钨元素对CLAM钢焊缝显微组织的影响

3.3钨元素对CLAM钢焊缝析出相的影响

3.4钨元素对CLAM钢焊缝抗拉强度的影响

3.5热处理对CLAM钢焊缝冲击韧性的影响

3.6钨元素对CLAM钢焊缝硬度的影响

3.7本章小结

第四章 热输入及钒元素对焊缝组织中δ铁素体的影响

4.1试验过程

4.2 CLAM钢焊缝组织中δ铁素体含量的计算方法

4.3热输入对CLAM钢焊缝δ铁素体含量的影响

4.4钒含量对CLAM钢焊缝δ铁素体含量的影响

4.5本章小结

第五章CLAM钢焊缝在550℃液态铅铋中静态腐蚀分析

5.1腐蚀试验的介绍

5.2 CLAM钢腐蚀速率的计算方法

5.3 CLAM钢腐蚀试验分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文