【摘 要】
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核聚变的燃料是利用海水中大量存在的氘和氚,能瞬间释放巨大能量,并在释放过程中清洁、安全、可靠,被认为是解决能源短缺和改善环境污染问题的有效方法之一。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢以其优异的抗辐照性能、较低的热膨胀系数、良好的力学性能,被认为是国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块(TBM)的首选结构材料,其中由我国自主研发的CLF-1钢已成为我国TBM的首选材料。但由于CLF-1钢焊接性较
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核聚变的燃料是利用海水中大量存在的氘和氚,能瞬间释放巨大能量,并在释放过程中清洁、安全、可靠,被认为是解决能源短缺和改善环境污染问题的有效方法之一。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢以其优异的抗辐照性能、较低的热膨胀系数、良好的力学性能,被认为是国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块(TBM)的首选结构材料,其中由我国自主研发的CLF-1钢已成为我国TBM的首选材料。但由于CLF-1钢焊接性较差,较高热输入量焊接方法满足不了其使用性能要求,所以较低热输入量高能电子束和激光焊接方法成为了首选。攻克CLF-1钢焊接核心卡脖子技术,对促进中国核能行业的进步具有重要及深远的科学意义和使用价值。针对32 mm板厚的低活化铁素体/马氏体核聚变用钢(CLF-1钢)采用真空电子束焊接方法,在最佳工艺参数条件下,焊接接头成形良好。焊后对试件进行高温回火(710℃/2 h/AC(空冷),简称HTT)和不完全退火(840℃/2 h/AC,简称IA)热处理,对比研究焊态、HTT态及IA态下的微观组织及力学性能。结果表明,焊态焊缝(WM)金属由粗大的板条马氏体组成,热影响区(HAZ)由大量块状马氏体及弥散分布的细小MX和M23C6组成。与焊态比较,HTT态WM中析出的纳米级M23C6及MX碳化物,具有弥散强化作用。与HTT态比较,IA态WM马氏体组织变得粗化,M23C6和MX有集聚长大倾向。综合比较,HTT态热处理条件下焊接接头的综合力学性能最佳,硬度范围约为190~250 Hv,室温(23℃)下拉伸强度约为705.89 MPa、伸长率约为19.65%、断面收缩率约为49.6%、WM韧性值约为241 J。采用普通激光焊接和Ar气环境激光焊接方式对6 mm板厚CLF-1钢进行焊接,在最佳工艺参数条件下,焊接接头均成形良好,并无裂纹等冶金缺陷产生。焊后对Ar气环境焊接样件进行高温回火710℃/2 h/AC(空冷)及正火980℃/1 h/AC+回火740℃/2 h/AC热处理。研究发现,普通激光焊接和Ar气环境激光焊接接头微观组织构成基本相,WM均由粗大板条马氏体组成,但Ar气环境焊接WM马氏体板条宽度更窄,同时WM氧含量降低了约16倍,使Ar气环境焊接WM冲击性能明显提高。与Ar气环境焊接样件相比,进行710℃/2 h/AC热处理后WM中板条马氏体组织更细化,并析出大量纳米级M23C6和MX碳化物,使塑性明显提高;经过980℃/1h/AC+710℃/2 h/AC热处理后WM组织为回火马氏体,但析出相M23C6集聚长大,使弥散强化效果减弱,弱化韧性的提高。以上四种工艺条件下激光焊接接头晶粒取向具有随机性,热处理对其晶体取向无明显影响。综合比较,Ar气环境激光焊件进行710℃/2 h/AC焊后热处理的焊接接头力学性能最佳,硬度范围约为240~280 Hv;室温(23℃)时,拉伸强度约为666.6 MPa,伸长率约为15.33%、断面收缩率约为73.64%、WM韧性值约为239 J;550℃时,拉伸WM强度约为348.66 MPa、伸长率约为19.2%、断面收缩率约为73.64%;韧性值约为239 J,力学性能均满足TBM要求。
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