GH3535合金焊接接头辐照效应研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:djf344010190
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GH3535高温镍基合金因其优越的高温机械性能、高温抗氧化性以及耐腐蚀性,被选为熔盐堆的主要结构材料。焊接是反应堆构件成型时必不可少的连接工艺,因焊接时焊接接头要承受反复的热循环会导致其产生强烈的组织和力学不均匀性,因此焊接部位常作为结构材料的薄弱环节被重点关注。在反应堆服役期间结构材料会面临严重的中子辐照损伤问题,目前对于熔盐堆工况下GH3535焊接接头高温中子辐照数据是缺乏的,且相关辐照损伤效应研究鲜有报道,尤其是GH3535焊接接头高温氦效应的研究更少。此外,焊缝、热影响区中特殊的微观结构是否会影响其辐照损伤效应,成为服役的较薄弱环节有待探讨。本研究主要借助氦离子和重离子(Fe、Xe离子)对GH3535焊接接头进行辐照损伤效应研究。主要从辐照后样品的力学性能和微观缺陷演化两个方面对焊缝、热影响区和母材的辐照性能和损伤机制进行探讨。分析焊接接头各区域辐照后宏观行为的演化差异,探讨微观缺陷在焊缝、热影响区和母材中的演化机制,并建立微观缺陷演化差异与其宏观行为不同的关联性,为评价GH3535合金焊接接头辐照性能提供依据和数据。在焊接接头力学行为研究中发现,不论是氦离子辐照还是重离子辐照,在常温下,焊缝、热影响区和母材的硬化行为都是一致的,即都随辐照剂量增加先增加而又趋近饱和,而在高温下力学行为会出现明显不同。对于氦离子辐照效应方面,在650℃下,焊缝、热影响区的硬度随辐照剂量增加一直增加,而母材硬度增加幅度逐渐变缓。在1×1017 ions/cm2下焊缝、热影响区和母材的硬化程度分别是92.9%、91.3%和72.7%。其次,在2×1016 ions/cm2的氦离子辐照下,焊缝和母材的硬化程度随着辐照温度(650、750、850℃)增加而逐渐降低,焊缝硬度的降低速率远大于母材。在重离子辐照损伤效应的研究中,焊缝和母材硬度随着温度升高都出现了异常增高现象,尤其是母材硬化行为十分明显,其硬化程度几乎是焊缝的3倍。这说明离位损伤在高温下引入缺陷造成的硬化和氦离子辐照缺陷造成的硬化是有明显区别的。此外,微柱压缩测试方法被成功的应用于评估GH3535合金母材的辐照硬化行为,成功建立了压缩时应力变化和样品微观结构缺陷特征之间的关联性。对焊接接头不同区域微观缺陷演化机制进行分析来确定高温下力学行为演化差异的原因。首先关于氦离子辐照效应研究,650℃,1×1017 ions/cm2氦离子辐照下,焊缝、热影响区的高密度位错线的存在影响氦泡的形核与长大,造成焊缝、HAZ中具有和母材不同数密度和尺寸的氦泡。借助弥散强化模型验证了氦泡数密度和尺寸的差异是造成焊接接头不同区域硬化行为差异的主要原因。其次,焊缝中位错线以及碳化物界面作为捕获辐照缺陷的缺陷阱,捕获能力具有温度依赖性。随着温度升高,这些缺陷阱捕获氦原子和间隙子的能力也会越强。在850℃下,焊缝中高密度位错线和纳米碳化物的存在,有效吸收了更多的氦原子和间隙原子,使得焊缝中氦泡几乎都分布在位错线和碳化物界面上,既有效降低了氦泡的密度,又抑制了位错环的形成和长大,使得焊缝中氦泡平均数密度以及位错环的平均数密度和尺寸均低于母材。这也是焊缝的硬化程度(36%)远小于母材的硬化程度(70%)的主要原因。在650、750、850℃的氦离子辐照下,明确了氦泡在母材中的演化机制,在高温辐照过程中样品内部既存在氦原子的扩散,同时也存在氦泡的粗化长大,其中氦原子的扩散机制主要是自间隙子/氦原子替换机制,氦泡粗化机制是表面扩散控制的迁移与合并。850℃下氦泡的形状呈现为八面体,在750、850℃下观察到环-泡复合体的存在,即氦泡和位错环的演化相互作用,且影响作用具有温度依赖性,随着温度升高,氦泡长大的同时,也促进位错环急剧长大。在多能Fe离子辐照后微观缺陷演化的研究中发现,常温(RT)辐照下,经8dpa辐照后的母材中只观察到了位错环和位错线的存在。高温多能Fe离子辐照(8dpa)会在母材和焊缝中诱导产生析出相,使其硬度和常温相比出现反常增加。进一步的研究发现焊缝中的位错线结构抑制了析出相的形成,导致其内部析出相密度低于母材,这也是为什么最终焊缝的硬度比母材硬度低的关键原因。
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