隨著聚變堆項目的發(fā)展,核結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷研究受到了越來越廣泛的關(guān)注,成為了材料科學與核能研究領(lǐng)域的熱點問題。低活化鐵素體／馬氏體鋼(Reduced-activation Ferritic/Martensitic,簡稱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)濟性等優(yōu)點被普遍認為是核聚變反應(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。采用離子和電子對低活化鐵素體/馬氏體鋼及其模型合金進行了輻照,通過高分辨電鏡以及掃描透射電鏡對材料輻照后的微觀結(jié)構(gòu)如位錯環(huán)、輻照析出以及空洞等進行了詳細的觀察和表征,結(jié)合原位超高壓電鏡對材料輻照條件下微觀結(jié)構(gòu)的演變進行了實時原位觀察和分析,并利用納米壓痕以及其它力學測試手段對材料輻照前后的力學性能進行測試,對輻照對材料微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響進行了研究。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,會產(chǎn)生大量的尺寸比較小的位錯環(huán)等缺陷,獲得了注氘鐵合金中位錯環(huán)的高分辨,同時原位觀察位錯環(huán)在各個溫度電子輻照下的動態(tài)演變情況,根據(jù)位錯環(huán)在不同溫度下長大速率的不同計算得出注氘Fe-Cr模型合金中的空位遷移能為0.66±0.1eV。室溫注氘純鐵的實驗表明,室溫氘離子注入先產(chǎn)生間隙型位錯環(huán),隨后在753K溫度下退火30min后會形成空位型位錯環(huán)。該空位型位錯環(huán)的柏氏矢量為[100],在隨后的電子輻照下會縮小直至消失,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,不僅會產(chǎn)生大量的位錯環(huán)等缺陷,還產(chǎn)生了一種納米級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。同時通過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環(huán)的生長。同時加硅和不加硅的CLAM鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能測試表明,少量硅的添加,提高了材料中碳的活度,促進了鋼中細小的MC相析出,從而強化了CLAM鋼使其強度增加。而輻照后具有更多細小彌散MC相的CLAM表現(xiàn)出更低的輻照硬化率,同時微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)的析出物周圍位錯環(huán)的密度減小。結(jié)合輻照產(chǎn)生納米析出物的結(jié)果可知細小彌散的析出物提高了材料中的界面體積比,降低周圍點缺陷的濃度,表現(xiàn)為位錯環(huán)密度降低或位錯環(huán)長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,對兩種鋼輻照后的微觀結(jié)構(gòu)進行了大量的表征,探討了氦泡的形成和長大機制。由于離子輻照材料的深度有限,無法采用標準的力學性能測試,納米壓痕測試方法被廣泛的用來評價材料經(jīng)離子輻照后的力學性能。然而目前沒有一個很好的納米壓痕數(shù)據(jù)分析模型來合理解釋離子輻照材料輻照后的硬度。發(fā)展了一種新模型來獲得離子輻照材料的納米壓痕硬度,實驗結(jié)果表明,該模型能很好的擬合納米壓痕測試數(shù)據(jù),獲得材料輻照后的輻照層的硬度,有望進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)動機、燃氣輪機及煙氣輪機等部位應(yīng)用廣泛。在較長的使用時間與嚴苛的使用環(huán)境下,其本身會發(fā)生力學性能的退化、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)展而來的一種增強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。使用正交試驗與單因素試驗確定了復(fù)合鍍的工藝條件。當電鍍溫度為40℃,電流密度為4A/dm2,攪拌速率為200r/min,顆粒添加量為5g/L,時間宜選擇70min時鍍層的硬度zui大,為642.6HV。通過極差分析與方差分析知,溫度對試驗結(jié)果有顯著性影響,過高的溫度不利于鍍層硬度的提升。通過對顆粒添加量與時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。通過金相分析得知,閃鍍工藝對鍍層的結(jié)合力至關(guān)重要,同時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,一周期鹽霧試驗后,腐蝕面積更小。通過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XRD測試發(fā)現(xiàn),鍍層在200℃熱處理過程中,晶粒有所細化,為15.40nm,在此過程中硬度得到加強,增大至672.4HV。溫度繼續(xù)增加,晶粒變大,400℃時增大至47.15nm。熱處理時間過長導(dǎo)致鍍層表面發(fā)生輕微氧化,熱處理2h時的硬度zui大。300次熱疲勞后鍍層表面沒有發(fā)生斷裂、脫落說明鍍層熱性能良好。
