1、第27卷 第1期核科學與工程Vol.27 N o.1 2007年 3月Chinese Journal of N uclear Science and Engineering M ar. 2007低活化馬氏體鋼的微觀結構與力學性能趙 飛1,2,萬奎貝1,喬建生1,萬發榮1,馬紀東1,許詠麗3,吳宜燦4(1 北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083;2 貴州大學材料科學與冶金工程學院,貴州貴陽550003;3 中國原子能科學研究院,北京102413;4 中國科學院等離子體物理研究所,安徽合肥230031摘要:介紹了作為聚變反應堆候選結構材料的低活化馬氏體鋼的基本設計思路,初步確定了材料的化

2、學成分和熱處理工藝,研究了材料的冶金特性、微觀組織和力學性能。同時,對比了添加少量釔和硅對材料性能的影響,發現添加硅可以提高材料強度,同時能保證材料具有足夠的塑性和韌性;釔的添加對改善材料的塑性很有幫助,但是會使材料強度降低。關鍵詞:聚變堆;低活化;馬氏體鋼中圖分類號:T L61 3 文獻標識碼:A 文章編號:0258 0918(200701 0059 05The microstructure and mechanical properties of China lowactivation martensitic steelZH AO Fei1,2,WAN Kui bei1,Q IAO Jia

3、n sheng1,WAN Fa rong1,M A Ji do ng1,XU Yong li3,WU Yi can4(1 S chool of M aterials Science and Engin eering,University of Science and Techn ology Beijing,Beijing100083,Ch ina;2 College of M aterials Science and M etallurgy Engin eering,Guiz hou U niver sity,Guiyan g of Guiz hou Prov.550003,Chin a;3

4、C hina Institute of Atomic En ergy,Beijing102413,China;4 Institue of Plasma Ph ysics,Chines e Academy of Sciences,H efei of Anhu i Prov.230031,ChinaAbstract:The China lo w activatio n martensitic(CLAMsteel is being developed as the candidate str uctural mater ials for fusion r eactor.The chemical co

5、mposition and heat tr eatment o f the CLAM steel w er e investigated in this paper,and the m etallurgy proper ties,m icrostructur e and mechanical properties o f the CLAM steel w er e discussed.In ad dition,tw o ingots of the CLAM steel w ith silicon and yttrium hav e also been prepared to improv e

6、the mechanical pro perties.It w as found that the streng th o f the CLAM steel w as increased by silicon addition,and the ductility w as g ood at the same time.Yttrium收稿日期:2006 04 03;修回日期:2006 06 22基金項目:國家自然科學基金資助項目(項目批準號:50571019作者簡介:趙 飛(1978 ,男,貴州遵義人,博士研究生,從事核反應堆結構材料的研究addition w ould facilitate t

7、o improve the ductility of the CLAM steel,but w ould decrease its str ength.Key words:fusion r eacto r;low activation;martensitic steel核聚變反應堆中的環境對所使用材料的要求非常苛刻,必須具有耐高溫、抗輻照、耐腐蝕等性能,同時還必須具有較高的機械性能。就目前工業上應用的材料中,尚沒有一種材料能達到聚變反應堆的要求。因此要想發展核聚變反應堆,必須首先研制出能滿足聚變堆要求的材料,特別是第一壁和包層材料。過去的幾十年中,在此領域已經進行了大量研究。在對材料的研究初期

8、首先想到的是高溫強度好的奧氏體鋼,因為奧氏體鋼在裂變堆中已被應用,它有一個比較完備的核應用數據庫。然而,進一步的研究發現奧氏體鋼存在很多問題,主要表現在熱應力因子低、表面熱通量能力有限、抗輻照腫脹能力差、抗液態金屬腐蝕能力有限,并可能有應力腐蝕等問題,因而研究采用鐵素體/馬氏體鋼作為結構材料。鐵素體/馬氏體鋼相對奧氏體鋼來說具有更好的抗輻照腫脹性能,更好的熱應力因子和耐液態金屬腐蝕的能力,同時還有大量的基本性能和輻照性能的數據庫1。在研究鐵素體/馬氏體鋼的開始階段,主要集中在研究改進型的Fe Cr M o鋼等。后來考慮到中子輻照誘發的長壽命放射性核素的存在(如Mo,Nb,Ni,又采用W、T a

9、、V代替其中的合金元素M o、Nb、Ni來達到低活化的效果2。目前為止,國際上研制出的低活化鋼中,有代表性的有F82H,JLF 1,EUROFER 973,它們都具有非常好的低活化性能,同時其他相關的物理、機械性能也很不錯,有希望作為結構材料用于聚變反應堆。中國對作為聚變堆候選結構材料的低活化鋼的研究起步較晚。本文以低活化馬氏體鋼為對象,研究在不同熱處理工藝條件下的組織和性能以及微量合金元素對材料性能的影響。1 試驗方法制備CLAM鋼所用的合金元素均采用高純金屬,其質量分數Cr:99 98%,W:99 95%,V:99 92%,T a:99 91%,M n:99 99%,Y: 99 5%,Si

10、:99 9%。將各高純金屬按設計成分配好后,于真空感應爐中熔煉。對鑄錠進行去皮,進行化學成分分析,然后在1200熱加工成所需的尺寸,再進行熱處理。對熱處理后的樣品進行光學金相觀察、透射電子顯微鏡分析和力學性能分析,包括顯微硬度、抗拉強度和DBT T的測試。CLAM鋼的基本設計成分如表1所示。CLAM鋼的設計成分是在參考了F82H和EUROFER97的化學成分后確定的,與這兩種低活化鋼的主要差別在于鎢的質量分數。F82H的鎢為2%4,EU ROFER97的鎢為1%5。雖然有報道4說在一定含量范圍內隨著W含量的提高,材料的屈服強度跟著增加,但是文獻3中提到當W的含量較高(超過2%時,在長期熱時效過

11、程中會出現Laves相的析出,降低材料的塑韌性,主要表現為韌脆轉變溫度(DBT T升高,上平臺能量值(USE降低,因此不宜采用過多添加W的方法來提高CLAM鋼的強度。本研究確定的CLAM鋼的鎢的質量分數為1 5%。為了研究添加微量合金元素對CLA M鋼性能的影響,設計了三種成分的鋼,基于表1的化學成分的1號合金、添加硅的2號合金和添加釔的3號合金。1號合金的熱加工工藝是在1200熱加工成1mm厚的薄板,熱處理工藝是:980保溫30min,水冷淬火,然后在高溫(600,650,700,750保溫90min空冷回火。2號合金和3號合金在1200熱加工成 30m m的棒,熱處理工藝為980保溫30m

12、 in,水冷淬火,再在750保溫90m in空冷回火。2 試驗結果與討論各鋼錠的化學成分分析結果如表2所示,從表2可以看出合金元素的成分基本上都在可接受的范圍之內。對于1號合金,不同熱處理表1 CLAM 的鋼基本設計化學成分(質量分數/%Table 1 The designed chemical composition of CLA M steel (mass fraction/%元素Cr W V Ta M n C P S 含量9 01 50 20 070 450 10 0030 002元素N Si Ti Ni Co Cu Nb O 含量0 020 010 0060 020 0050 0050

13、 0010 0026表2 CLAM 鋼鑄錠的化學成分(質量分數/%Table 2 The chemical composition of C LAM steel ingots(m ass fraction/%合金號Fe Cr W V Ta M n SiYC 1號Bal 8 801 490 200 0590 680 132號Bal 9 111 510 210160 410 46103號Bal7 771 930 200 240 410 250 10 未回火600 回火650 回火 700 回火750 回火圖1 No.1合金不同熱處理工藝處理的顯微組織F ig.1 T he m icrostr uc

14、ture o f N o.1alloy after different heat treatment工藝處理后的樣品金相組織如圖1所示。從該圖可以看出,在進行淬火后沒有回火的試樣中,幾乎完全是馬氏體組織。從金相組織中還可以看出,回火態的晶粒組織沒有發生太大的變化。但隨著回火溫度的提高,照片中出現的小黑點越來越多。這些小黑點可以認為是回火時析出的碳化物。隨著回火溫度的提高,碳化物析出增多。碳化物的分布比較彌散,不論在晶內還是在晶界都可以看到有很多碳化物析出。在僅進行淬火而沒有回火的金相照片中則很少看到有碳化物的析出。這四種回火工藝處理后的碳化物數密度分別為:600 回火為1 6!105mm -2

15、,650 回火為2 2!105mm -2,700 回火為3 8!105mm-2,750 回火為4 3!105mm -2。碳化物的尺寸約為30100nm 。為了確定這些碳化物的結構,對750 回火試樣進行了透射電子顯微分析,如圖2所示,通過電子衍射花樣對部分碳化物進行分析計算,可以認為它是M 23C 6型碳化物。表3列出了不同熱處理工藝的硬度值。通過硬度分析可以看出隨著回火溫度的提高,硬度逐漸降低,這是因為隨著回火溫度的提高,馬析出物的T EM形貌 電子衍射花樣圖2 1號合金的750回火后的T EM組織和電子衍射花樣F ig.2 T EM imag e and electro ndiffract

16、ion of N o.1allo y氏體分解量增加,因而導致硬度下降。從硬度的下降趨勢可以看出,隨著回火溫度的提高,硬度下降得越緩慢,特別是700回火與750回火時的硬度值差別很小。這是因為隨著回火溫度的提高碳化物的析出越多(見圖1,由于碳化物的彌散強化作用,對由于馬氏體分解而導致的硬度降低起到了一定的緩解作用。表3 1號合金不同熱處理工藝處理后的硬度值(kg/cm2Table3 The Vickers hardness of No.1alloy after tempering at diff erent temperature(kg/cm2回火溫度未回火600650700750維氏硬度344

17、297257 5198190 5對750回火處理的試樣分別在室溫和350進行了抗拉強度實驗,從表4結果可知,無論是屈服強度 s還是斷裂強度 b都略低于設計強度。表4 1號合金750回火試樣的力學性能Table4 The tensile property of No.1alloy after tempering at750溫度 s/M Pa b/M Pa5/%u/%RT50462024 18 335043849018 53 9設計性能指標(RT55065012 55為了改進合金的機械性能,試圖對CLAM 鋼的合金成分作微量調整。文獻6中提到釔(Y可以細化馬氏體晶粒,促使回火碳化物在晶內彌散析出,

18、改善夾雜物的分布情況,提高鋼的綜合性能;此外,文獻7指出,硅(Si的添加能提高鋼的力學性能;但是,在早期的研究中很多結果8都顯示Si的添加會增加鋼的輻照脆性,對鋼的輻照性能不利,不過經過多年的研究后俄國科學家得出結論9,認為添加硅使反應堆材料的輻照脆性增加,不完全是因為硅的原因,這只是因為硅的添加影響了雜質元素磷在晶界偏聚的熱力學和動力學,導致脆性的真正原因是因為磷在晶界的富集,降低了晶界的結合力,因此使材料變脆。如果材料中含磷的量很少,如本實驗中所用的CLAM鋼,則添加硅有可能不會明顯增加材料的輻照脆性。基于上述考慮,冶煉了兩爐分別含硅(2號合金和釔(3號合金的CLA M鋼,以期能提高CLA

19、M 鋼的綜合力學性能,并對這兩種CLAM鋼的微觀結構和力學性能進行了分析測試。對比兩種合金的力學性能(見表5,可以看出2號合金的強度非常高,而3號合金的強度要低得多。兩種合金的延伸率都比較高,特別是添加釔的3號合金,在室溫的總延伸率能達到26 3%。這說明添加硅可以使CLAM鋼的強度和塑性都得到很大的改善,釔的添加對CLAM鋼的塑性提高非常顯著。導致力學性能變化的原因可以從合金的顯微組織中得到解釋,如圖3所示。從該圖可以發現,添加硅的2號合金晶粒比較細小且分布比較均勻,基體幾乎全部是馬氏體組織,在晶粒中彌散分布了很多細小的析出物,而添加釔的3號合金晶粒尺寸分布很不均勻,且有很大一部分為鐵素體,

20、而且析出物相對于2號合金來說要少得多。硅可固溶于! 碳化物,提高其穩定性,因而能推遲!向的轉化,這意味著可使回火馬氏體的! 碳化物與基體保持共格和均勻分布的狀態,從而使回火馬氏體組織取得良好的強韌性配合10。此外,Si對馬氏體有固溶強化作用,同時,Si能有效抑制Fe3C的形成,使大量C在回火過程中保留在馬氏體中,這對保證馬氏體在回火后具有足夠的強度很有幫助11。由此可以認為, Si的加入對輻照前CLAM鋼的力學性能是很有幫助的。從這一結果中也看出在CLAM鋼 中添加釔可以改善塑性,不足之處就是使強度降低了。這與以前的文獻6的結論有所不同,具體原因有待進一步研究。其中一個主要的原因可能是釔的添加

21、降低了鋼中Cr的含量,從而使CLAM鋼的強度降低。從表2可以看出,添加Y的3號合金中的Cr質量分數比原設計添加的9%降低了很多,不足8%。這很可能是因為Y的化學活性很強12,極易與鋼中的雜質以及其他合金元素反應,形成爐渣,Cr也隨著被帶出而流失,導致鋼中的Cr含量不高。表5 2號、3號合金750回火后的力學性能指標Table5 The tensile property of No.2and No.3alloy after tempering at750合金溫度 s/M Pa b/M Pa5/%u/%2號3號RT612 0722 318 76 1 350523 2599 215 52 8 RT3

22、94 6558 426 311 3 350320 8434 920 38 添加硅的2號合金 添加釔的3號合金圖3 添加不同微量合金元素的CL AM鋼的顯微組織F ig.3 T he microstr ucture o f No.2and N o.3a llo y w ith different allo y elements分別對在經過750回火處理后的1號合金和加硅的2號合金進行了韌脆轉變溫度(DBTT的測試,結果為1號合金為-71,2號合金為-66。從實驗結果可以看出,添加硅只是略微提高了CLAM鋼的韌脆轉變溫度。因此微量硅的添加在提高材料強度的同時,能夠保持其韌性基本不變。3 結論基于C

23、LAM鋼的設計成分和熱處理工藝,制備了三種合金,并對它們的力學性能和微觀結構進行了分析,得出如下結論:1所獲CLAM鋼的強度基本滿足設計要求,但仍需進一步改善。隨著回火溫度的提高,CLAM鋼的硬度逐漸降低。由于析出物的彌散強化作用,使得硬度降低趨勢趨于平緩。對析出物進行分析發現主要是M23C6型碳化物。2在CLAM鋼中添加硅能使強度大大改善,同時能保證CLA M鋼具有足夠的塑性和韌性;釔的添加使CLA M鋼的塑性得到顯著的提高,但是使強度大大降低。參考文獻:1 (美B.R.T.弗羅斯特(Brian R.T.Frost.核科學與技術叢書(核材料M.北京:科學出版社,1999.2 Kohyama A,et al.Low activation ferritic an d martens itic steels for fus ion applicationJ.Journal of NuclearM aterials,1996,233 237:138 147.3 Klueh R L,et al.Ferritic/martens itic steels overview ofrecen t res