两种先进反应堆用铁素体/马氏体钢的高温重离子辐照效应研究

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近些年来,核能技术突飞猛进,先进核能系统(第四代反应堆,聚变堆,ADS)的机组容量及热效率越来越高。反应堆内部的工作环境越来越恶劣,随之而来的是对反应堆内结构材料的性能要求越来越高,如耐高温、耐强腐蚀,抗辐照等。铁素体/马氏体钢具有优异的抗高温蠕变性、抗辐照肿胀性以及几何稳定性,目前已经成为第四代先进反应堆结构材料候选材料并得到世界范围内的认可。由于缺少与先进反应堆内能谱相似的中子源,材料辐照效应的研究工作大多采用快中子反应堆、加速器高能离子以及散列中子源等方法模拟堆内辐照条件进行研究。重离子辐照具有参数可控、辐照效率较高、经济性强、放射性低等优点,目前已成为研究辐照损伤的主要手段。透射电子显微镜(TEM)在材料辐照效应的研究过程中,可以观察材料内部微观结构的演化,如位错、空洞、气泡等缺陷的形成和生长、辐照诱导新析出相析出以及辐照引发合金元素的偏析等。对铁素体/马氏体钢开展重离子辐照实验研究,利用透射电子显微镜等测试方法对其辐照过程当中的微观结构演化等进行基础研究具有很重要的研究价值本论文采用3.25MeV单能Fe13+离子在700℃条件下对P92和CFM-1钢进行了不同注射剂量的重离子辐照,并通过透射电子显微镜、纳米压痕技术(NIT)、原子力显微镜(AFM)等测试方法,系统研究了高温辐照下材料微观结构及机械性能的变化。我们将研究结果与前人进行的低温辐照结果进行分析讨论,并对P92和CFM-1钢的性能进行了评价。1、研究了P92钢和CFM-1钢受到辐照后材料表面及内部组织结构形貌变化。结果表明:在3.25MeV单能Fe13+离子700℃辐照后,材料表面均出现丘脊状起泡现象。P92在辐照0h、2h、10h、20h后样品的表面粗糙度分别为:2.35 nm、2.26 nm、9.82 nm、11.75 nm;CFM-1钢在辐照0h、2h、10h、20h后样品的表面粗糙度分别为1.53nm、2.78nm、5.47nm、10.27nm。两种钢的所有辐照样品中均没有发现辐照孔洞,没有发现明显辐照肿胀行为。CFM-1钢中板条尺寸变小,并且随着辐照剂量的增加,变化幅度越来越大,而P92钢组织结构较为稳定,没有观察到明显变化。另外,两种钢中位错密度随辐照剂量增加而降低,但是位错长度随辐照剂量增大而增大。2、研究了3.25MeV单能Fe13+离子700℃辐照后P92及CFM-1钢中析出相的变化及新析出相的析出行为。结果表明:两种钢中均没有发现析出相边缘非晶化现象;两种钢中均发现M23C6尺寸变大,密度变小,相对来讲CFM-1钢中变化更为明显,在M23C6周围也出现了Cr元素的辐照偏析现象;MX相的实验结果与M23C6类似。在两种钢辐照样品中均发现了新析出相,CFM-1钢中由于Cr的偏析形成了密度较大的圆点状富含Cr的α′相,对辐照诱导Cr偏析形成α′相的机制进行了讨论分析。辐照后的P92钢样品中在马氏体内部位错处形核析出新的富含Cr、N两元素的M2X相,该析出相的形核析出在一定程度上减小了位错密度。3、研究了700℃下3.25MeV单能Fe13+离子不同辐照剂量下下P92和CFM-1钢的辐照软化行为。结果表明:P92和CFM-1钢在此辐照条件下均发生了较为明显的辐照软化,辐照软化行为主要由辐照产生的微观结构引起;计算并对比了在不同辐照剂量辐照后两种材料屈服强度的变化趋势,证明辐照引起的位错长度及密度的变化是导致辐照软化的原因。通过与文献中Fe13+离子300℃、550℃辐照CLAM钢结果对比,证明在高温辐照下铁素体/马氏体钢会发生基体回复,且辐照剂量(时间)越大回复程度越大,说明高温辐照下基体回复也是导致硬度降低的一个因素。
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