何 琨,陳 樂,李 剛

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院,反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610213)

0 引 言

反應(yīng)堆包殼材料的可靠性是制約未來先進(jìn)核能可持續(xù)利用的主要瓶頸問題之一,決定了核能系統(tǒng)的可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前,國內(nèi)反應(yīng)堆包殼材料均采用鋯合金,但對于第四代鉛冷快堆,其面臨的服役環(huán)境比現(xiàn)役的商用壓水堆更為苛刻,如運(yùn)行溫度更高(500～650 ℃或以上)、中子輻照劑量更高(50～150 dpa,最高可達(dá)200 dpa)等。這就要求包殼材料不僅應(yīng)具有優(yōu)異的抗腐蝕能力,還需具有良好的高溫穩(wěn)定性、高溫力學(xué)性能和抗輻照損傷能力。

鐵素體/馬氏體鋼(F/M鋼)是一種以板條馬氏體組織為主的合金鋼,因其具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、抗輻照腫脹性能和穩(wěn)定的熱物理性能而成為第四代反應(yīng)堆包殼的首選材料之一。由于鉛冷快堆的運(yùn)行溫度提高至500～650 ℃,蠕變性能也成為包殼材料應(yīng)用性能研究的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。9Cr-1.5W鋼是一種新設(shè)計(jì)的低活化抗中子F/M鋼,引入的鎢、釩、鉭等元素均是鐵素體穩(wěn)定化元素。其中:質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%～2.0%的鎢元素可有效阻止板條馬氏體在高溫下的回復(fù)與再結(jié)晶,以及減緩M23C6的粗化速率,降低蠕變速率[1];釩、鉭形成M23C6和MC析出相粒子,有助于改善材料的力學(xué)性能;添加適量的硅元素可通過在表面形成SiO2來顯著提高其抗氧化性[2-3],并通過引入硅化物相[4]或固溶體強(qiáng)化作用[5]來顯著提高其高溫強(qiáng)度。ZHANG等[6]研究了不同硅含量9Cr-1.5W鋼的抗拉強(qiáng)度、硬度及組織的變化,認(rèn)為合金強(qiáng)化主要來自于硅元素引入的固溶強(qiáng)化,碳化物沉淀沒有起到明顯的強(qiáng)化作用。雖然已知過量的硅元素會增加合金中的高溫鐵素體含量和Laves相的析出量,導(dǎo)致力學(xué)性能下降[7],但對于含有多種鐵素體穩(wěn)定化元素的9Cr-1.5W鋼,硅含量對其高溫蠕變性能影響的研究報(bào)道較少。因此,作者制備了不同硅含量的9Cr-1.5W鋼,研究了硅含量對試驗(yàn)鋼顯微組織、高溫拉伸性能以及高溫蠕變性能的影響,并獲得了試驗(yàn)鋼的蠕變機(jī)制,以期為包殼材料的研制及應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料為鐵、鉻、鎢、錳、鉭、釩等金屬塊體或粉末。設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%,0.6%,1.0%硅改性的9Cr-1.5W鋼。采用ZG-50型真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉后,對鑄錠進(jìn)行1 150 ℃下鍛造以及800 ℃下多道次熱軋,然后依次進(jìn)行1 000 ℃×1 h正火和730 ℃×1.5 h回火處理。測得試驗(yàn)鋼的具體化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test steels

采用配置高速電子背散射衍射(EBSD)探頭的Apreo型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)以及JEOL JEM-2100F型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)觀察試驗(yàn)鋼的顯微組織。按照GB/T 2039—2012制備標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣,試樣軸線與軋制方向平行,在AG-X 100 kN型高溫電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變試驗(yàn),試驗(yàn)條件為550 ℃空氣環(huán)境,加載應(yīng)力分別為合金在550 ℃下屈服強(qiáng)度Rp0.2的50%,60%,70%,當(dāng)蠕變時間達(dá)到200 h時停止試驗(yàn)。按照GB/T 228.2—2015,在試驗(yàn)鋼上截取φ5 mm標(biāo)準(zhǔn)棒狀試樣,在WDW-100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)條件為550 ℃空氣環(huán)境,拉伸速度為1.0 mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對組織的影響

由圖1可以看出,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%和0.60%硅的試驗(yàn)鋼為典型的馬氏體組織,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%硅的試驗(yàn)鋼由馬氏體、鐵素體以及鐵素體相晶界處的細(xì)小析出相組成。根據(jù)鐵素體、馬氏體的原奧氏體晶界、板條束界和所有的板條塊界均為大角度界面,馬氏體的亞板條塊界和板條界均為小角度界面[8-10]的特點(diǎn),對試驗(yàn)鋼進(jìn)行EBSD分析,結(jié)果如圖2所示。統(tǒng)計(jì)得到,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%,0.60%,0.90%硅的試驗(yàn)鋼的小角度晶界占比分別為46.5%,47.1%,43.6%,表明含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%硅的試驗(yàn)鋼含有鐵素體相。

圖1 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of test steels with different mass fractions of silicon

圖2 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼的EBSD圖Fig.2 EBSD maps of test steels with different mass fractions of silicon

由圖3和表2可見,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%硅的試驗(yàn)鋼組織中晶界和晶粒內(nèi)部分布著不同的析出相,主要包括面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)Cr23C6相(位置2#)、MX相V(C,N)(位置1#)和(Si,Ta)C相(位置3#)。Cr23C6析出相多為圓棒形,長度為100～200 nm;V(C,N)和(Si,Ta)C相為球形,尺寸約為50 nm。觀察發(fā)現(xiàn),3種試驗(yàn)鋼的析出相類型相同。MX和M23C6第二相在變形過程中會阻礙位錯運(yùn)動、抑制變形,從而影響應(yīng)變硬化指數(shù)[11]。MX相還具有彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用,能顯著提高合金強(qiáng)度,改善其蠕變性能[12]。

圖3 含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%硅試驗(yàn)鋼的TEM明場像、電子衍射花樣以及析出相的EDS測試位置Fig.3 TEM bright field image (a-b), electron diffraction pattern (c) and EDS test positions of precipitates (d) of test steel with 0.34wt% silicon: (b) local enlarged map in Fig.(a)

表2 圖3(d)中不同位置的EDS分析結(jié)果Table 2 EDS analysis results of different positions shown in Fig.3(d)

2.2 對應(yīng)變硬化行為的影響

含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%,0.60%,0.90%硅的試驗(yàn)鋼在550 ℃下的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4(a)所示,得到其屈服強(qiáng)度Rp0.2分別為439.0,404.0,400.0 MPa,抗拉強(qiáng)度分別為457.0,430.0,426.0 MPa, 斷后伸長率分別為19.9%,19.9%,26.1%?？芍?隨著硅含量的增加,試驗(yàn)鋼在高溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低,但斷后伸長率增大。在均勻塑性變形中,任何溫度下鋼材的拉伸行為可用Ludwik公式[13]表示:

圖4 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼在550 ℃下的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Engineering stress-strain curves (a) and true stress-strain curves (b) of test steels with different mass fractions of silicon at 550 ℃

σ=σ0+Kεn1

(1)

式中:σ為真應(yīng)力;σ0為屈服強(qiáng)度;n1為應(yīng)變硬化指數(shù);K為強(qiáng)度系數(shù);ε為真應(yīng)變。

由工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4(b)所示,其對數(shù)擬合線的斜率即為n1,截距即為K。對于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%,0.60%,0.90%硅的試驗(yàn)鋼,n1分別為0.250 39,0.345 08,0.301 57,K分別為348.0,298.1,308.8 MPa?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi),增加硅含量可提高試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化指數(shù),但超過范圍會造成應(yīng)變硬化指數(shù)下降。

2.3 對蠕變性能的影響

由圖5和表3可見:在0.5Rp0.2應(yīng)力條件下,試驗(yàn)鋼均在200 h后達(dá)到穩(wěn)定蠕變狀態(tài);隨著硅含量的增加、加載應(yīng)力降低,最大蠕變應(yīng)變增大。在0.6Rp0.2應(yīng)力條件下,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%硅的試驗(yàn)鋼于81 h后發(fā)生蠕變斷裂,斷裂時的蠕變應(yīng)變達(dá)到30.0%,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%,0.60%硅的試驗(yàn)鋼仍保持穩(wěn)定蠕變狀態(tài)至200 h。在0.7Rp0.2應(yīng)力條件下,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%,0.34%硅的試驗(yàn)鋼先后于6.4,85 h發(fā)生蠕變斷裂,斷裂時的蠕變應(yīng)變達(dá)到11.7%和7.9%;含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.60%硅的試驗(yàn)鋼在200 h時仍處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài),其蠕變應(yīng)變?yōu)?.0%,當(dāng)蠕變時間為250 h時,出現(xiàn)了明顯的蠕變加速。當(dāng)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.9%時,試驗(yàn)鋼的蠕變壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34%和0.60%的試驗(yàn)鋼。隨著硅含量的增加,組織中出現(xiàn)了少量的鐵素體相,試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和蠕變性能也有明顯下降,推測鋼中出現(xiàn)的鐵素體相不利于其高溫蠕變性能。因此,需要控制硅元素的加入量或調(diào)整熱處理制度以避免組織中出現(xiàn)鐵素體相。

圖5 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)力下的蠕變曲線及蠕變速率曲線Fig.5 Creep curves (a, c, e) and creep rate curves (b, d, f) of test steels with different mass fractions of silicon under various stresses

表3 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼在不同應(yīng)力下的最小蠕變速率、蠕變時間和最大蠕變應(yīng)變Table 3 Minimum creep rate, creep time and maximum creep strain of test steels with different mass fractions of silicon under various stresses

通常采用Norton公式[14-15]表示外加應(yīng)力與最小蠕變速率的關(guān)系:

(2)

圖6 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼在550 ℃下的擬合曲線Fig.6 ln σ1 fitting curves of test steels with different mass fractions of silicon at 550 ℃

(3)

圖7 不同應(yīng)力指數(shù)下含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅試驗(yàn)鋼的關(guān)系曲線Fig.7 curves of test steels with different mass fractions of silicon under different stress exponents

3 結(jié) 論

(1) 含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%和0.60%硅的試驗(yàn)鋼組織主要為馬氏體,而含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%硅的試驗(yàn)鋼主要由馬氏體和鐵素體組成。

(2) 隨著硅含量的增加,試驗(yàn)鋼在高溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低,但斷后伸長率增大,應(yīng)變硬化指數(shù)先升后降, 含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.60%硅的試驗(yàn)鋼具有最大的應(yīng)變硬化指數(shù)。

(3) 與含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%和0.90%硅的試驗(yàn)鋼相比,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.60%硅的試驗(yàn)鋼在0.5Rp0.2、0.6Rp0.2和0.7Rp0.23個應(yīng)力水平下均表現(xiàn)出最佳的高溫蠕變性能,應(yīng)力指數(shù)最小,在蠕變過程的最小蠕變速率對外加應(yīng)力敏感性最低;試驗(yàn)鋼的蠕變行為均是受位錯攀移控制的蠕變機(jī)制。