隨著聚變堆項(xiàng)目的發(fā)展,核結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷研究受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注,成為了材料科學(xué)與核能研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。低活化鐵素體／馬氏體鋼(Reduced-activation Ferritic/Martensitic,簡(jiǎn)稱RAFM)由于具有良好的抗輻照腫脹性能、良好的加工性能以及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)被普遍認(rèn)為是核聚變反應(yīng)堆*壁結(jié)構(gòu)材料的重要候選材料。研究低活化鐵素體/馬氏體鋼的輻照損傷,對(duì)揭示輻照引起材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的變化、理解材料的輻照損傷機(jī)制以及探索開發(fā)新型抗輻照損傷材料都具有重要的意義。采用離子和電子對(duì)低活化鐵素體/馬氏體鋼及其模型合金進(jìn)行了輻照,通過(guò)高分辨電鏡以及掃描透射電鏡對(duì)材料輻照后的微觀結(jié)構(gòu)如位錯(cuò)環(huán)、輻照析出以及空洞等進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和表征,結(jié)合原位超高壓電鏡對(duì)材料輻照條件下微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行了實(shí)時(shí)原位觀察和分析,并利用納米壓痕以及其它力學(xué)測(cè)試手段對(duì)材料輻照前后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,對(duì)輻照對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。所獲得的創(chuàng)新性成果如下：室溫氘離子注入到模型合金中,會(huì)產(chǎn)生大量的尺寸比較小的位錯(cuò)環(huán)等缺陷,獲得了注氘鐵合金中位錯(cuò)環(huán)的高分辨,同時(shí)原位觀察位錯(cuò)環(huán)在各個(gè)溫度電子輻照下的動(dòng)態(tài)演變情況,根據(jù)位錯(cuò)環(huán)在不同溫度下長(zhǎng)大速率的不同計(jì)算得出注氘Fe-Cr模型合金中的空位遷移能為0.66±0.1eV。室溫注氘純鐵的實(shí)驗(yàn)表明,室溫氘離子注入先產(chǎn)生間隙型位錯(cuò)環(huán),隨后在753K溫度下退火30min后會(huì)形成空位型位錯(cuò)環(huán)。該空位型位錯(cuò)環(huán)的柏氏矢量為[100],在隨后的電子輻照下會(huì)縮小直至消失,其縮小速率與電子輻照劑量有關(guān)。而相比氫而言,更高的空位形成溫度,意味著氘和空位結(jié)合得更緊密。高溫(773K)氘離子注入到模型合金中,不僅會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)環(huán)等缺陷,還產(chǎn)生了一種納米級(jí)的針條狀分布的析出物,它們總是沿[100]方向排列。該析出物為一種B2結(jié)構(gòu)的新相,晶格常數(shù)與鐵相同,成分上富Cr,空間群為pm3m。同時(shí)通過(guò)原位電子輻照和觀察發(fā)現(xiàn),在隨后的輻照下,析出物尺寸和結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,并在一定程度上阻礙了周圍位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)。同時(shí)加硅和不加硅的CLAM鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測(cè)試表明,少量硅的添加,提高了材料中碳的活度,促進(jìn)了鋼中細(xì)小的MC相析出,從而強(qiáng)化了CLAM鋼使其強(qiáng)度增加。而輻照后具有更多細(xì)小彌散MC相的CLAM表現(xiàn)出更低的輻照硬化率,同時(shí)微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)的析出物周圍位錯(cuò)環(huán)的密度減小。結(jié)合輻照產(chǎn)生納米析出物的結(jié)果可知細(xì)小彌散的析出物提高了材料中的界面體積比,降低周圍點(diǎn)缺陷的濃度,表現(xiàn)為位錯(cuò)環(huán)密度降低或位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)大速率降低以及材料輻照硬化率降低,從而為提高材料的抗輻照性能提供了一種思路。而注入大劑量氦后兩種鋼中都產(chǎn)生大量的氦泡,對(duì)兩種鋼輻照后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的表征,探討了氦泡的形成和長(zhǎng)大機(jī)制。由于離子輻照材料的深度有限,無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能測(cè)試,納米壓痕測(cè)試方法被廣泛的用來(lái)評(píng)價(jià)材料經(jīng)離子輻照后的力學(xué)性能。然而目前沒(méi)有一個(gè)很好的納米壓痕數(shù)據(jù)分析模型來(lái)合理解釋離子輻照材料輻照后的硬度。發(fā)展了一種新模型來(lái)獲得離子輻照材料的納米壓痕硬度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型能很好的擬合納米壓痕測(cè)試數(shù)據(jù),獲得材料輻照后的輻照層的硬度,有望進(jìn)一步拓寬納米壓痕技術(shù)在輻照損傷研究領(lǐng)域的應(yīng)用。
高溫合金是一種可以在持續(xù)高溫下使用的金屬材料,其本身具有很多優(yōu)良的特性,如抗高溫氧化腐蝕、抗熱疲勞性能、良好的熱塑性、耐應(yīng)力腐蝕等,在發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及煙氣輪機(jī)等部位應(yīng)用廣泛。在較長(zhǎng)的使用時(shí)間與嚴(yán)苛的使用環(huán)境下,其本身會(huì)發(fā)生力學(xué)性能的退化、氧化腐蝕、疲勞及高溫蠕變等退化。復(fù)合鍍是基于電鍍技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種增強(qiáng)金屬表面硬度及耐磨性等的技術(shù)。為提高高溫合金本身硬度、耐磨性與熱性能,使用復(fù)合鍍技術(shù)在其表面生成一層沉積層。使用正交試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)確定了復(fù)合鍍的工藝條件。當(dāng)電鍍溫度為40℃,電流密度為4A/dm2,攪拌速率為200r/min,顆粒添加量為5g/L,時(shí)間宜選擇70min時(shí)鍍層的硬度zui大,為642.6HV。通過(guò)極差分析與方差分析知,溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響,過(guò)高的溫度不利于鍍層硬度的提升。通過(guò)對(duì)顆粒添加量與時(shí)間的單因素探討得知,顆粒的沉積符合兩步沉積理論,后期顆粒的沉積速率變慢。通過(guò)金相分析得知,閃鍍工藝對(duì)鍍層的結(jié)合力至關(guān)重要,同時(shí)閃鍍層可以使鍍層表面更加平整、光亮。復(fù)合鍍層與光亮鍍鎳層的硬度、耐蝕性優(yōu)于高溫合金本身。對(duì)比復(fù)合鍍層與鍍鎳層的顯微形貌,發(fā)現(xiàn)同樣的電鍍工藝下,復(fù)合鍍層比鍍鎳層擁有更小的晶粒尺寸,這是其硬度提升的因素之一。復(fù)合鍍層與鍍鎳層磨損方式不同,復(fù)合鍍層磨損為粘著磨損而鍍鎳層為擠壓磨損。比較鍍鎳層與復(fù)合鍍的耐蝕性發(fā)現(xiàn),二者耐蝕性優(yōu)于高溫合金,且具有更小的腐蝕速率,一周期鹽霧試驗(yàn)后,腐蝕面積更小。通過(guò)熱處理能提高鍍層表面硬度卻降低了鍍層表面耐蝕性。通過(guò)XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn),鍍層在200℃熱處理過(guò)程中,晶粒有所細(xì)化,為15.40nm,在此過(guò)程中硬度得到加強(qiáng),增大至672.4HV。溫度繼續(xù)增加,晶粒變大,400℃時(shí)增大至47.15nm。熱處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致鍍層表面發(fā)生輕微氧化,熱處理2h時(shí)的硬度zui大。300次熱疲勞后鍍層表面沒(méi)有發(fā)生斷裂、脫落說(shuō)明鍍層熱性能良好。
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