高溫強磁場服役下低活化鋼中析出相變行為研究

《高溫強磁場服役下低活化鋼中析出相變行為研究》是依託清華大學，由張弛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高溫強磁場服役下低活化鋼中析出相變行為研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：張弛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

聚變堆包層結構材料長期服役在高溫輻照強磁場條件下，目前低活化鐵素體/馬氏體鋼因其優異的高溫力學性能和抗輻照性能等優點成為聚變堆包層的首選結構材料。但人們對高溫強磁場極端服役條件下低活化鋼中析出相的演變仍然很不清楚，而微觀組織的變化直接影響低活化鋼在服役條件下的力學性能，這關係到包層的結構穩定性及聚變堆的安全。本項目擬通過透射電鏡等方法研究低活化鐵素體/馬氏體鋼中析出相尤其是TaC相在高溫條件下形核、長大和粗化的演化過程，構建高溫條件下TaC相析出長大的物理模型。進而研究TaC相在高溫強磁場極端條件下的相穩定性、相界面特徵、形核長大行為，力圖建立析出相在高溫強磁場耦合條件下隨時間演化過程的模型，同時探索微觀組織變化對高溫力學性能、抗輻照性能的影響，建立析出相變行為和高溫力學性能之間的定量關係。本項目的研究結果將為建立低活化鋼服役安全評價體系，並為促進低活化鋼的最佳化設計提供理論基礎和數據支持。

結題摘要

低活化鋼作為未來聚變堆包層結構材料長期在高溫強磁場下服役。高溫強磁場下材料組織的穩定性影響聚變堆的服役安全。本課題以低活化鋼為原型進行合金設計和組織調控，首先研究低活化實驗鋼的析出相變行為，掌握低活化鋼中析出演化過程對力學性能的影響規律，最後系統研究高溫強磁場下析出相變行為及其力學性能的影響。 本研究首先研究了奧氏體化條件、微合金元素對未溶碳化物溶解過程的影響，利用擴散動力學模型模合理解釋了奧氏體化過程中TaC顆粒溶解過程與原奧氏體晶粒長大之間的關係。然後系統研究了低活化實驗鋼中碳化物析出、粗化、演變規律。利用Langer-Schwartz等理論構建TaC的形核、長大和粗化的動力學演化過程的理論模型，揭示了界面能、擴散係數、平衡濃度等參數對析出長大過程的影響規律。 提出一種新型中間熱處理工藝和適量增加Ta含量的方法來細化低活化鋼中的M23C6，使M23C6的平均尺寸由常規熱處理工藝的150 nm減小到70 nm。低活化鋼中Ta含量的增加也使得M23C6平均尺寸減小，甚至抑制M23C6析出。 最後，研究650 ℃高溫下10 T強磁場對析出相的穩定性、相界面特徵、析出長大過程的影響。使用Weiss分子場模型計算650 ℃、10 T強磁場下碳化物/鐵素體的界面能增加值為0.03 J/m2。外加強磁場導致低活化鋼中長桿狀的M23C6出現明顯球化，析出相的顆粒密度降低，平均尺寸增大。利用Langer-Schwartz理論構建物理模型定量地描述磁場強度對形核、長大的動力學過程的影響，對比實驗觀察研究強磁場對析出相變行為的影響，合理預測了強磁場對低活化鋼的析出長大行為及力學性能的影響。