RAFM钢的瞬间液相扩散连接接头组织形成及蠕变性能研究

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低活化铁素体/马氏体(Reduced Activation Ferritic/Martensitic,简称RAFM)钢因其优异的热物理性能和热机械性能被选为核聚变反应堆包层/第一壁首选的结构材料。为了实现核反应堆安全、高效、稳定的运行,RAFM钢的焊接技术和工艺研究成为包层模块制造以及核反应堆投入商业应用的关键技术。本文以Fe-Si-B非晶箔为中间层对RAFM钢进行瞬间液相扩散连接(Transient Liquid Phase Bonding,简称TLP),制备了没有缺陷的可靠接头。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针、透射电子显微镜、电子背散射衍射技术等现代分析测试方法对不同保温时间的TLP接头的微观组织进行表征,并对接头进行了剪切试验、显微硬度测试、高温蠕变试验等力学性能测试,进一步探究了接头组织演变和力学性能之间的关系。研究结果表明:TLP接头主要由等温凝固区(Isothermal Solidification Zone,简称ISZ)、扩散影响区(Diffusion Affected Zone,简称DAZ)、母材(Base Material,简称BZ)三个区域组成。块状M23C6碳化物和约500 nm尺寸的椭圆形Fe2B相在等温凝固区析出,约3μm的大尺寸棒状Cr2B相在扩散影响区析出。随着均匀化时间的延长,在扩散影响区中Cr2B相的含量大大降低。完成均匀化阶段所需的时间很大程度上取决于Si原子的扩散。此外,本文通过时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,简称FDTD)估算了接头焊缝区域的元素分布,进一步预测完成均匀化阶段所需的时间。剪切试样在扩散影响区断裂,剪切强度随着均匀化时间的增加而增加,并且断裂从脆性断裂转变为韧性断裂。在不同应力水平的高温蠕变试验中,RAFM钢TLP接头均在母材区域发生韧性断裂。影响TLP接头蠕变性能的主要因素是位错引起的亚晶结构的回复以及马氏体板条的粗化和变形。另外,母材区域中的M23C6碳化物发生明显的粗化,减弱了M23C6碳化物对晶界的钉扎作用。大尺寸的M23C6碳化物还会促进微孔的形核,然后微孔不断聚集、合并、扩展,进一步形成微裂纹。值得注意的是,在应力加载的作用下,焊缝组织发生了明显的变化。焊缝等温凝固区的组织为铁素体和马氏体的混合组织,铁素体晶粒尺寸减小,位错密度和大角度晶界比例不断增加,从而能有效地阻碍裂纹扩展,提高焊缝的性能。
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