表面堆焊纯Ni的800H合金的组织与服役性能的研究
代其隆
学位类型硕士
导师周兴泰
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词Ni 800h合金 堆焊 熔盐腐蚀 力学性能
摘要熔盐堆是第四代反应堆型中唯一的液态燃料堆,具有固有安全性高、无水冷却、小型模块化等独有优势。目前唯一能够在熔盐环境成熟使用的Hastelloy N合金(UNS N10003)许用温度仅为704~oC,要想实现高温制氢等更高能效的应用,运行温度需要进一步提高,如850~oC以上。研发新合金需要较高的费用,耗时较长而且存在较大的风险。相比之下,在现有成熟合金上进行改性更容易实现。从近期的应用角度考虑,800H合金是十分合适的候选材料,因为该合金在气冷堆中的应用已经被系统地研究,而且它是ASME-BPV-NH(Section III)卷五种合金中唯一的许用温度超过850?C的合金,数据库完备。尽管800H合金具有非常好的高温力学性能,但它的耐熔盐腐蚀性能较差。将800H合金表面涂覆一层耐熔盐腐蚀性能极好的Ni涂层,使其同时拥有其基体良好的高温力学性能和其涂层优异的耐熔盐腐蚀性能,是解决这一问题的有效方法。在常用的复合方法中,堆焊技术被广泛应用在核电领域,而且是一种能够实现自动化、大面积生产的工艺方法。但国内外文献有关800H合金表面堆焊纯Ni的报道极少,而且并未对其耐熔盐腐蚀性能、显微组织以及力学性能进行系统的研究。本研究课题利用钨极氩弧焊(GTAW)技术,优化了堆焊工艺参数,在800H合金表面堆焊耐熔盐腐蚀的纯Ni涂层;将堆焊层合金、原始800H合金以及GH3535合金(UNS N10003)放入850?C下FLiNaK中进行300h静态熔盐腐蚀试验;利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)等表征手段对堆焊层合金的耐熔盐腐蚀性能进行评定,并对其腐蚀机理进行了深入研究;利用金相显微镜(OM)、万能材料试验机、显微维氏硬度计等设备系统地研究堆焊后构件的显微组织以及服役过程中的力学性能和长期稳定性能,主要的研究成果如下:(1)利用GTAW在800H表面堆焊纯Ni,通过摸索确定最佳焊接电流为200A。(2)利用GTAW表面堆焊纯Ni能够有效提高800H合金在850?C下FLiNaK中的耐腐蚀性能。堆焊层顶部的腐蚀为均匀腐蚀,贫Cr层的深度与GH3535合金相近(约31μm),仅为原始800H合金的1/10。(3)合金在FLiNaK中的腐蚀速率受熔盐中的杂质(比如Fe)控制:熔盐杂质与合金表面的Fe和Cr发生氧化还原反应,Fe和Cr流失产生的空位及晶界形成“扩散通道”,加速Cr元素从基体向表面的流失。保守地说,为了保证与FLiNaK具有良好的相容性,作为熔盐环境使用的候选材料合金或堆焊层中的Fe+Cr不能超过11%。(4)Σ3型晶界处的Cr元素几乎不发生腐蚀,说明增加合金中低重位点阵(CSLBs)的数量也是一种能够提高合金耐熔盐腐蚀性能的方法。(5)800H合金表面堆焊纯Ni堆焊层的显微组织由界面向外依次为:平面晶、胞状晶、树枝晶及细小的等轴晶。(6)GTAW技术表面堆焊纯Ni构件的延展性良好,侧弯未出现开裂现象;堆焊层与母材结合良好,室温和850?C的界面剪切强度分别为490MPa和134MPa;室温断裂形式为韧性撕裂,850?C为解理断裂。(7)堆焊纯Ni构件在850?C时效1000h后,成分和硬度均未发生明显变化,材料的稳定性良好。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28454
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
代其隆. 表面堆焊纯Ni的800H合金的组织与服役性能的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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