楊柯1,,嚴(yán)偉1,王志光2,單以銀1,石全強(qiáng)1,史顯波1,王威1

1 中國科學(xué)院金屬研究所, 沈陽 110016
2 中國科學(xué)院近代物理研究所, 蘭州 730000

摘要

關(guān)鍵詞：加速器驅(qū)動次臨界(ADS)系統(tǒng);核結(jié)構(gòu)用鋼;耐熱;輻照;液態(tài)金屬腐蝕

在能源的發(fā)展戰(zhàn)略上, 我國在未來將積極發(fā)展核電. 關(guān)鍵核電設(shè)備所用重要結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)是發(fā)展核電技術(shù)的關(guān)鍵. 無論是核電的發(fā)電裝置, 還是核廢料的處理裝置, 其關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)材料需要在高溫、強(qiáng)輻照和強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境中服役. 加速器驅(qū)動次臨界(accelerator driven subcritical, ADS)系統(tǒng)主要由高能質(zhì)子加速器、散裂靶和液態(tài)Pb-Bi共晶(Pb-Bi eutectic, LBE)冷卻次臨界反應(yīng)堆構(gòu)成, 是一種高效的核廢物嬗變器[1]. 該系統(tǒng)所用結(jié)構(gòu)材料的服役溫度在300~800 ℃之間, 熱流密度高達(dá)10 MW/m2, 輻照量每年可達(dá)到100 dpa. 如此惡劣極端的服役環(huán)境對結(jié)構(gòu)材料的綜合性能提出了更高和更苛刻的要求.

在諸多核用候選結(jié)構(gòu)材料中, (9%~12%)Cr (質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同)馬氏體耐熱鋼具有良好的導(dǎo)熱性能、低的膨脹系數(shù)和良好的抗輻照性能, 一直被認(rèn)為是發(fā)展核電技術(shù)的首選結(jié)構(gòu)材料[2-8]. 目前已獲得工程應(yīng)用的(9%~12%)Cr馬氏體耐熱鋼主要有超臨界火電機(jī)組用T/P91和T/P92鋼[9,10], 其高溫力學(xué)性能優(yōu)良, 制備工藝也已經(jīng)成熟, 但不具備低活化特性, 抗液態(tài)金屬腐蝕性能欠佳; 為未來核聚變堆設(shè)計(jì)和開發(fā)的具有低活化特性的第一壁結(jié)構(gòu)材料主要有中國低活化馬氏體(CLAM)鋼[11-18]、歐洲的Eurofer 97鋼[19-24]、美國的9Cr2WVTa鋼[25]、日本的F82H[24,26,27]和JLF-1鋼[28-30], 這類鋼種的抗輻照性能突出, 但高溫強(qiáng)度低; 俄羅斯設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料EP823鋼[31,32]具有優(yōu)異的抗液態(tài)Pb-Bi共晶腐蝕性能, 但抗輻照性能差. 以上各種鋼在性能上各有側(cè)重, 然而, 均不能同時滿足耐高溫、耐輻照、耐液態(tài)Pb-Bi共晶腐蝕性能要求. 因此, 如何在化學(xué)成分上進(jìn)行合理調(diào)整, 平衡這3種性能, 研究開發(fā)出適應(yīng)未來重大核電裝置發(fā)展需求的新型耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕的新型鋼鐵結(jié)構(gòu)材料是一個重大挑戰(zhàn).

本工作主要介紹新型耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕結(jié)構(gòu)材料——SIMP鋼的組織、成分設(shè)計(jì)和規(guī)模化制備, 重點(diǎn)介紹SIMP鋼在實(shí)驗(yàn)室條件下以上3方面性能的測試結(jié)果, 以增進(jìn)核工業(yè)領(lǐng)域?qū)π滦蚐IMP鋼的認(rèn)識和了解.

1 實(shí)驗(yàn)方法

Cr和Si不僅是提高耐熱鋼高溫抗氧化性能的重要元素, 還能提高抗液態(tài)金屬腐蝕性能. 當(dāng)Si含量達(dá)到2.0%時, 可以明顯提高鋼的抗液態(tài)金屬腐蝕性能[33]. 但Cr和Si含量過高會急劇增加鋼中高溫δ鐵素體的含量, 而C可以對高溫δ鐵素體的形成產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用. 為了獲得全馬氏體組織, SIMP鋼中必須嚴(yán)格控制C, Cr和Si這3種重要合金元素的含量, 使之達(dá)到優(yōu)化的成分范圍. 新型SIMP鋼的成分設(shè)計(jì)思路如圖1所示. 在鋼中增加Cr和Si含量來提高其抗液態(tài)金屬腐蝕能力和抗氧化能力; 提高C含量抑制高溫δ鐵素體, 獲得全馬氏體組織; 利用Cr, W, V, Ta等合金元素的強(qiáng)化作用, 獲得所需的高溫力學(xué)性能; 通過“以W代Mo, 以Ta代Nb”來實(shí)現(xiàn)鋼的低活化特性[15]; 降低鋼中Ni, P, Cu, Co, Al等活化元素的含量至極低水平以提高抗輻照性能. SIMP鋼的成分經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化, 最終名義成分為0.20C-1.2Si-10.5Cr-1.5W-0.2V-0.15Ta (質(zhì)量分?jǐn)?shù), %).

圖1SIMP鋼的成分設(shè)計(jì)思路

Fig.1Principle for chemical composition design of SIMP steel (LBE—Pb-Bi eutectic)

采用真空感應(yīng)、真空自耗等冶煉技術(shù), 制備了從25 kg級到5 t級規(guī)模的SIMP鋼, 如圖2所示. 鑄錠的體積越大, 其成分和組織的均勻性越難以控制.表1給出了1 t級和5 t級SIMP鋼的主要成分. 可見, SIMP鋼的成分較為均勻, 均在成分設(shè)計(jì)范圍之內(nèi). 5 t級SIMP鋼中活化元素的含量如表2所示. 可見, Ni, Mo, Ti, Nb, Al和Co等活化元素都得到極為嚴(yán)格的控制.

圖2不同規(guī)模SIMP鋼鑄錠

Fig.2SIMP steel ingots of different grades

本工作中SIMP鋼的試樣均來自1 t級和5 t級SIMP鋼經(jīng)鍛造和軋制后得到的熱軋板. 通過研究正火溫度和回火溫度對SIMP鋼組織和力學(xué)性能的影響, 確定了噸級SIMP鋼的最佳熱處理工藝為: (1040±10) ℃正火30 min+(760±10) ℃回火90 min. 測試中所用的力學(xué)性能試樣、氧化性能試樣、液態(tài)金屬腐蝕性能試樣和輻照試樣, 如沒有特殊說明, 其初始熱處理均按以上工藝進(jìn)行. 作為對比材料的T91鋼, 各項(xiàng)性能測試前也按以上熱處理工藝進(jìn)行熱處理. 采用5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O腐蝕劑制備金相(OM)樣品, 在HatachiS-3400N型掃描電鏡(SEM)下觀察析出相形態(tài). 透射電鏡(TEM)樣品經(jīng)機(jī)械減薄至30 μm后, 用10%HClO4+90%C2H4O2電解液在15 ℃雙噴減薄, 電壓為28 V. 在FEI Tecnai G2F20型TEM上觀察材料的精細(xì)組織結(jié)構(gòu). 拉伸實(shí)驗(yàn)在Schenck-100KN型液壓伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 樣品尺寸為直徑5 mm×60 mm. 沖擊實(shí)驗(yàn)在RT-450沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 樣品尺寸為10 mm×10 mm×55 mm. 高溫持久實(shí)驗(yàn)在RDL50型電子蠕變弛豫試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 測試溫度為400~750 ℃, 溫度波動≤±2 ℃, 應(yīng)力范圍選擇為80~540 MPa. 采用靜態(tài)增重法評價材料的抗高溫氧化性能. 利用D/max2500PCX型射線衍射儀(XRD)分析氧化后試樣的表面相組成. 用Hitachi S-3400N掃描電鏡(SEM)和EPMA1610電子探針(EPMA)觀察表面氧化膜形貌和分析截面氧化膜結(jié)構(gòu).

600 ℃高溫拉伸強(qiáng)度略有下降, 總延伸率下降明顯. 這是因?yàn)殇摫砻嫜趸ぶ懈街腜b-Bi共晶會在高溫拉伸發(fā)生頸縮(大量流變)時滲入基體, 降低高溫延性[96].

熱處理態(tài)SIMP鋼若不與LBE合金預(yù)接觸處理, 直接在不同溫度的LBE合金中進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn), 均表現(xiàn)出很好的韌性, 沒有LBE合金致脆現(xiàn)象.圖18給出了經(jīng)760 ℃回火后的SIMP鋼在300 ℃(最易于出現(xiàn)LBE合金致脆現(xiàn)象的溫度)和Ar氣氛中的拉伸結(jié)果. 可見, 其拉伸性能與在Ar氣氛下的拉伸結(jié)果相似, 沒有任何脆性現(xiàn)象. T91鋼也表現(xiàn)出相似的特性.

圖18熱處理態(tài)SIMP鋼在300 ℃的液態(tài)LBE中的拉伸性能

Fig.18Tensile properties of as-treated SIMP steel in liquid LBE at 300 ℃

2.5 SIMP鋼的抗輻照性能

2.5.1 He離子輻照 研究[97,98]表明, 在相同的He離子輻照濃度下, T91鋼和1 t SIMP鋼(下同)中He泡的尺寸隨著輻照溫度的升高而增大, 但是SIMP鋼中He泡尺寸在300, 450和550 ℃輻照溫度下均比T91鋼中的He泡尺寸要小. SIMP鋼中位錯密度、析出相數(shù)量均大于T91鋼, 位錯密度和細(xì)小的析出相均有利于吸收He離子, 因此He離子不容易聚集、長大, He泡在SIMP鋼中的分布更加彌散. 因此, 與T91鋼相比, SIMP鋼具有較小的腫脹率, 更優(yōu)的抗He輻照性能.

2.5.2 Fe離子輻照 Zhu等[99,100]分別采用3.25和1.625 MeV 單能Fe離子在室溫, 300, 450和550 ℃對SIMP鋼和T91鋼進(jìn)行不同劑量的輻照, 研究了2種鋼在不同輻照條件下, 材料中輻照產(chǎn)生的缺陷信息等. 結(jié)果表明, 1.625 MeV的Fe離子室溫輻照后, 隨著劑量的提高, 2種鋼的S參數(shù)基本相同. 而溫度效應(yīng)中, 除室溫輻照下2種鋼的S參數(shù)相差不大外, 其余溫度下SIMP鋼的S參數(shù)均小于T91鋼. 3.25 MeV的Fe離子溫度相關(guān)性研究數(shù)據(jù)表明, 除300和450 ℃下2種鋼的S參數(shù)基本一致外, 室溫和550 ℃下SIMP鋼的S參數(shù)都明顯小于T91鋼. 空位型缺陷的生成是材料中空洞與氣泡形核的基礎(chǔ), 相同輻照條件下材料中產(chǎn)生的空位型缺陷較少意味著較低的空洞與氣泡的形核率, 在一定程度上決定著材料的抗輻照腫脹性能. 因此, 從正電子測試結(jié)果推斷, SIMP鋼的抗輻照腫脹性能優(yōu)于T91鋼.

2.5.3 Kr離子輻照 Li等[101]研究了196 MeV Kr離子在不同溫度下輻照SIMP鋼及T91鋼的微觀形貌. 結(jié)果表明, 2種鋼中輻照產(chǎn)生的空洞尺寸隨著輻照溫度的升高呈先增大再減小的趨勢. 相比而言, 在相同條件下, SIMP鋼中的空洞尺寸最小, 說明在相同的Kr離子輻照條件下, SIMP鋼具有更好的抗輻照腫脹能力.

綜上所述, SIMP鋼具有較好的抗離子輻照腫脹性能, 主要原因有2方面: (1) SIMP鋼中的Si含量相對較高(SIMP: 1.22%; T91: 0.38%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)), 因?yàn)镾i作為一種快速擴(kuò)散的置換型溶質(zhì)元素能夠增強(qiáng)空位的移動能力, 增強(qiáng)復(fù)合, 降低空位在材料內(nèi)部的過飽和濃度, 顯著地抑制了輻照導(dǎo)致的腫脹; (2) SIMP鋼具有相對細(xì)小的晶粒以及較窄的馬氏體板條組織, 使得氣泡在材料內(nèi)部的分布更加彌散, 單個尺寸更小, 也起到了抑制腫脹的作用. 總體看來, SIMP鋼具備不亞于甚至優(yōu)于T91鋼的抗輻照腫脹性能.

3 結(jié)論與展望

SIMP鋼在成分設(shè)計(jì)上通過調(diào)配C, Cr和Si這3個重要合金元素, 獲得了全馬氏體組織, 與T91鋼相比, 表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕能力. SIMP鋼的制備已從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模走向較大的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模, 其關(guān)鍵焊接工藝研究也已完成工程應(yīng)用性探索. 當(dāng)前, SIMP鋼是國內(nèi)ADS嬗變系統(tǒng)中散裂靶結(jié)構(gòu)材料的最佳候選材料, 有望盡快在各類核反應(yīng)裝置中得到推廣應(yīng)用.

來源--金屬學(xué)報(bào)