杨柯1,,严伟1,王志光2,单以银1,石全强1,史显波1,王威1

1 中国科学院金属研究所, 沈阳 110016
2 中国科学院近代物理研究所, 兰州 730000

摘要

关键词：加速器驱动次临界(ADS)系统;核结构用钢;耐热;辐照;液态金属腐蚀

在能源的发展战略上, 我国在未来将积极发展核电. 关键核电设备所用重要结构材料的研发是发展核电技术的关键. 无论是核电的发电装置, 还是核废料的处理装置, 其关键部位的结构材料需要在高温、强辐照和强腐蚀等极端环境中服役. 加速器驱动次临界(accelerator driven subcritical, ADS)系统主要由高能质子加速器、散裂靶和液态Pb-Bi共晶(Pb-Bi eutectic, LBE)冷却次临界反应堆构成, 是一种高效的核废物嬗变器[1]. 该系统所用结构材料的服役温度在300~800 ℃之间, 热流密度高达10 MW/m2, 辐照量每年可达到100 dpa. 如此恶劣极端的服役环境对结构材料的综合性能提出了更高和更苛刻的要求.

在诸多核用候选结构材料中, (9%~12%)Cr (质量分数, 下同)马氏体耐热钢具有良好的导热性能、低的膨胀系数和良好的抗辐照性能, 一直被认为是发展核电技术的首选结构材料[2-8]. 目前已获得工程应用的(9%~12%)Cr马氏体耐热钢主要有超临界火电机组用T/P91和T/P92钢[9,10], 其高温力学性能优良, 制备工艺也已经成熟, 但不具备低活化特性, 抗液态金属腐蚀性能欠佳; 为未来核聚变堆设计和开发的具有低活化特性的第一壁结构材料主要有中国低活化马氏体(CLAM)钢[11-18]、欧洲的Eurofer 97钢[19-24]、美国的9Cr2WVTa钢[25]、日本的F82H[24,26,27]和JLF-1钢[28-30], 这类钢种的抗辐照性能突出, 但高温强度低; 俄罗斯设计的结构材料EP823钢[31,32]具有优异的抗液态Pb-Bi共晶腐蚀性能, 但抗辐照性能差. 以上各种钢在性能上各有侧重, 然而, 均不能同时满足耐高温、耐辐照、耐液态Pb-Bi共晶腐蚀性能要求. 因此, 如何在化学成分上进行合理调整, 平衡这3种性能, 研究开发出适应未来重大核电装置发展需求的新型耐高温、抗辐照、耐液态金属腐蚀的新型钢铁结构材料是一个重大挑战.

本工作主要介绍新型耐高温、抗辐照、耐液态金属腐蚀结构材料——SIMP钢的组织、成分设计和规模化制备, 重点介绍SIMP钢在实验室条件下以上3方面性能的测试结果, 以增进核工业领域对新型SIMP钢的认识和了解.

1 实验方法

Cr和Si不仅是提高耐热钢高温抗氧化性能的重要元素, 还能提高抗液态金属腐蚀性能. 当Si含量达到2.0%时, 可以明显提高钢的抗液态金属腐蚀性能[33]. 但Cr和Si含量过高会急剧增加钢中高温δ铁素体的含量, 而C可以对高温δ铁素体的形成产生强烈的抑制作用. 为了获得全马氏体组织, SIMP钢中必须严格控制C, Cr和Si这3种重要合金元素的含量, 使之达到优化的成分范围. 新型SIMP钢的成分设计思路如图1所示. 在钢中增加Cr和Si含量来提高其抗液态金属腐蚀能力和抗氧化能力; 提高C含量抑制高温δ铁素体, 获得全马氏体组织; 利用Cr, W, V, Ta等合金元素的强化作用, 获得所需的高温力学性能; 通过“以W代Mo, 以Ta代Nb”来实现钢的低活化特性[15]; 降低钢中Ni, P, Cu, Co, Al等活化元素的含量至极低水平以提高抗辐照性能. SIMP钢的成分经过反复优化, 最终名义成分为0.20C-1.2Si-10.5Cr-1.5W-0.2V-0.15Ta (质量分数, %).

图1SIMP钢的成分设计思路

Fig.1Principle for chemical composition design of SIMP steel (LBE—Pb-Bi eutectic)

采用真空感应、真空自耗等冶炼技术, 制备了从25 kg级到5 t级规模的SIMP钢, 如图2所示. 铸锭的体积越大, 其成分和组织的均匀性越难以控制.表1给出了1 t级和5 t级SIMP钢的主要成分. 可见, SIMP钢的成分较为均匀, 均在成分设计范围之内. 5 t级SIMP钢中活化元素的含量如表2所示. 可见, Ni, Mo, Ti, Nb, Al和Co等活化元素都得到极为严格的控制.

图2不同规模SIMP钢铸锭

Fig.2SIMP steel ingots of different grades

本工作中SIMP钢的试样均来自1 t级和5 t级SIMP钢经锻造和轧制后得到的热轧板. 通过研究正火温度和回火温度对SIMP钢组织和力学性能的影响, 确定了吨级SIMP钢的最佳热处理工艺为: (1040±10) ℃正火30 min+(760±10) ℃回火90 min. 测试中所用的力学性能试样、氧化性能试样、液态金属腐蚀性能试样和辐照试样, 如没有特殊说明, 其初始热处理均按以上工艺进行. 作为对比材料的T91钢, 各项性能测试前也按以上热处理工艺进行热处理. 采用5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O腐蚀剂制备金相(OM)样品, 在HatachiS-3400N型扫描电镜(SEM)下观察析出相形态. 透射电镜(TEM)样品经机械减薄至30 μm后, 用10%HClO4+90%C2H4O2电解液在15 ℃双喷减薄, 电压为28 V. 在FEI Tecnai G2F20型TEM上观察材料的精细组织结构. 拉伸实验在Schenck-100KN型液压伺服拉伸试验机上进行, 样品尺寸为直径5 mm×60 mm. 冲击实验在RT-450冲击试验机上进行, 样品尺寸为10 mm×10 mm×55 mm. 高温持久实验在RDL50型电子蠕变弛豫试验机上进行, 测试温度为400~750 ℃, 温度波动≤±2 ℃, 应力范围选择为80~540 MPa. 采用静态增重法评价材料的抗高温氧化性能. 利用D/max2500PCX型射线衍射仪(XRD)分析氧化后试样的表面相组成. 用Hitachi S-3400N扫描电镜(SEM)和EPMA1610电子探针(EPMA)观察表面氧化膜形貌和分析截面氧化膜结构.

600 ℃高温拉伸强度略有下降, 总延伸率下降明显. 这是因为钢表面氧化膜中附着的Pb-Bi共晶会在高温拉伸发生颈缩(大量流变)时渗入基体, 降低高温延性[96].

热处理态SIMP钢若不与LBE合金预接触处理, 直接在不同温度的LBE合金中进行拉伸实验, 均表现出很好的韧性, 没有LBE合金致脆现象.图18给出了经760 ℃回火后的SIMP钢在300 ℃(最易于出现LBE合金致脆现象的温度)和Ar气氛中的拉伸结果. 可见, 其拉伸性能与在Ar气氛下的拉伸结果相似, 没有任何脆性现象. T91钢也表现出相似的特性.

图18热处理态SIMP钢在300 ℃的液态LBE中的拉伸性能

Fig.18Tensile properties of as-treated SIMP steel in liquid LBE at 300 ℃

2.5 SIMP钢的抗辐照性能

2.5.1 He离子辐照 研究[97,98]表明, 在相同的He离子辐照浓度下, T91钢和1 t SIMP钢(下同)中He泡的尺寸随着辐照温度的升高而增大, 但是SIMP钢中He泡尺寸在300, 450和550 ℃辐照温度下均比T91钢中的He泡尺寸要小. SIMP钢中位错密度、析出相数量均大于T91钢, 位错密度和细小的析出相均有利于吸收He离子, 因此He离子不容易聚集、长大, He泡在SIMP钢中的分布更加弥散. 因此, 与T91钢相比, SIMP钢具有较小的肿胀率, 更优的抗He辐照性能.

2.5.2 Fe离子辐照 Zhu等[99,100]分别采用3.25和1.625 MeV 单能Fe离子在室温, 300, 450和550 ℃对SIMP钢和T91钢进行不同剂量的辐照, 研究了2种钢在不同辐照条件下, 材料中辐照产生的缺陷信息等. 结果表明, 1.625 MeV的Fe离子室温辐照后, 随着剂量的提高, 2种钢的S参数基本相同. 而温度效应中, 除室温辐照下2种钢的S参数相差不大外, 其余温度下SIMP钢的S参数均小于T91钢. 3.25 MeV的Fe离子温度相关性研究数据表明, 除300和450 ℃下2种钢的S参数基本一致外, 室温和550 ℃下SIMP钢的S参数都明显小于T91钢. 空位型缺陷的生成是材料中空洞与气泡形核的基础, 相同辐照条件下材料中产生的空位型缺陷较少意味着较低的空洞与气泡的形核率, 在一定程度上决定着材料的抗辐照肿胀性能. 因此, 从正电子测试结果推断, SIMP钢的抗辐照肿胀性能优于T91钢.

2.5.3 Kr离子辐照 Li等[101]研究了196 MeV Kr离子在不同温度下辐照SIMP钢及T91钢的微观形貌. 结果表明, 2种钢中辐照产生的空洞尺寸随着辐照温度的升高呈先增大再减小的趋势. 相比而言, 在相同条件下, SIMP钢中的空洞尺寸最小, 说明在相同的Kr离子辐照条件下, SIMP钢具有更好的抗辐照肿胀能力.

综上所述, SIMP钢具有较好的抗离子辐照肿胀性能, 主要原因有2方面: (1) SIMP钢中的Si含量相对较高(SIMP: 1.22%; T91: 0.38%, 质量分数), 因为Si作为一种快速扩散的置换型溶质元素能够增强空位的移动能力, 增强复合, 降低空位在材料内部的过饱和浓度, 显著地抑制了辐照导致的肿胀; (2) SIMP钢具有相对细小的晶粒以及较窄的马氏体板条组织, 使得气泡在材料内部的分布更加弥散, 单个尺寸更小, 也起到了抑制肿胀的作用. 总体看来, SIMP钢具备不亚于甚至优于T91钢的抗辐照肿胀性能.

3 结论与展望

SIMP钢在成分设计上通过调配C, Cr和Si这3个重要合金元素, 获得了全马氏体组织, 与T91钢相比, 表现出更加优异的耐高温、抗辐照、耐液态金属腐蚀能力. SIMP钢的制备已从实验室规模走向较大的工业化生产规模, 其关键焊接工艺研究也已完成工程应用性探索. 当前, SIMP钢是国内ADS嬗变系统中散裂靶结构材料的最佳候选材料, 有望尽快在各类核反应装置中得到推广应用.

来源--金属学报