激光选区熔化CLF-1钢组织结构及力学性能研究

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核聚变能以释放能量大、原料储备丰富、开采成本低廉、使用安全性能高等一系列优点,被世界各国视为未来清洁能源的第一选择,并对核聚变能的使用进行了大量的研究。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢由于具有较低的热膨胀系数、高的热导率、优良的抗肿胀和抗辐照脆性能力等而被认为是未来聚变堆包层的首选结构材料,为应对ITER TBM计划的要求和中国核聚变DEMO的发展战略,由中国核工业西南物理研究院自主研发了低活化铁素体/马氏体(CLF-1)钢。目前由于TBM体积庞大,制造过程所需零部件多且整体装配需要多种技术进行加工处理,所以存在制造周期长、结构不稳定、成本高等诸多需要解决的问题。激光选区熔化(SLM)技术作为一种新型的金属材料加工技术具有加工精度高、生产效率高、材料利用率高、复杂零部件可造性等诸多优点,有希望解决目前TBM制造中存在的问题。为应对TBM制造中存在的问题,本文研究了激光选区熔化(SLM)技术制备聚变堆低活化铁素体/马氏体CLF-1钢和对其进行固溶时效和热等静压后续热处理后CLF-1钢的组织。采用OM、SEM、TEM等方法表征材料成形态、固溶时效、热等静压状态下的组织结构,通过X-CT技术进行缺陷表征,之后采用拉伸方法测试CLF-1钢的力学性能,并进行断口分析。研究结果表明,成形态CLF-1钢具有较高的抗拉强度和屈服强度但韧性稍差,断口呈小而浅的韧窝状,而经固溶时效和热等静压处理后韧性提高但抗拉强度和屈服强度降低,断口呈现大而深的韧窝。通过比较材料的微观结构可知,成形态为大量马氏体和部分铁素体的混合组织,存在孔隙、未熔颗粒物等缺陷。热处理后,马氏体中碳原子析出,马氏体转变为铁素体,碳原子与晶界和晶粒内微量元素结合长大,生成M23C6碳化物和MX化合物。X-CT数据显示,成形态孔隙较多,固溶时效后改善不明显,而热等静压使试样的孔隙率显著下降。结果表明,热处理后M23C6碳化物的析出和晶粒尺寸长大是抗拉强度和屈服强度降低的主要因素,而部分组织转变为铁素体提高了材料的韧性,热等静压后孔隙率的降低被认为是使其抗拉性能提高的主要原因。
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