摘要
中国低活化马氏体钢（China Low Activation Martensitic steel, CLAM钢）是我国研发的一种低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/Martensitic steel, RAFM钢），是现阶段核聚变实验堆的首选包层结构材料之一。 通常采用热时效实验来评估马氏体耐热钢在服役条件下的微观组织稳定性。已经有一些工作对 CLAM 钢的热时效行为进行了研究，但时间最长只达到了20000 h，并且针对析出相的定量统计和演化规律的研究非常缺乏。本文首先在550℃和600℃下对CLAM钢进行了长达30000 h的热时效，定量研究了三种析出相在热时效过程中的稳定性。MX 相根据 TEM 图片进行统计；M23C6相和热时效过程中析出的Laves相根据SEM图片进行统计。为了对大量的M23C6相和Laves相进行鉴别和统计，本文创新了一种方法：第一步，根据SEM-BSD图片统计Laves相；第二步，根据SEM-InLens图片，把M23C6相和Laves相作为整体进行统计；第三步，综合前面两步的结果，得到M23C6相的统计结果。结果表明Laves相在达到析出平衡前粒径随时间线性增长；M23C6相和MX相的粒径随时间的二分之一次方线性增长；Laves 相在达到析出平衡前的粗化速率远大于M23C6相和MX相，分别为3.4倍和19倍（550℃，20000 h），以及4.7倍和21倍（600℃，20000 h）；在热时效过程中Laves相的稳定性最差、MX相的稳定性最好。Laves 相在 600℃下热时效时析出动力学符合 Johnson-Mehl-Avrami 方程（J-M-A方程），时间指数为2.8。Laves相有独立形核和依附M23C6相形核两种形核方式。依附形核后，组合体中的两种相的生长如何相互影响，这个问题还没有统一的认识；本文观察到一种Laves相的包裹生长机制，给这个问题提供了新的线索。Laves相依附M23C6相形核和包裹生长机制是其粒径线性增长、时间指数偏大的原因。 提高马氏体钢耐热钢抗蠕变性能的一个重要途径是利用形变热处理（thermomechanical treatment，TMT）技术。针对CLAM钢的形变热处理研究非常缺乏，有关形变热处理对 CLAM 钢蠕变性能的影响尚未见文献报道。为了提高CLAM钢的蠕变性能，使用热模拟试验机Gleeble 3500进行形变热处理工艺研究。首先设计四种不同的中温形变热处理工艺进行对比。研究发现当奥氏体化温度从1000℃提高到1150℃，形变热处理后MX相的数密度大幅提高了两个数量级，平均粒径降低了约 79%；而形变温度和形变量对 MX 相析出的影响相对较小；形变热处理后析出数量最多、尺寸最小 MX 相的试样具有最好的蠕变性能，反之亦然。随后又进行了相对较低形变温度（600℃）的形变热处理研究。研究发现：回火温度对 MX 相的析出有很大的影响，回火温度从 740℃增加到760℃，MX相的数密度增加了2到6倍；奥氏体化温度从1150℃提高到1200℃， MX相的析出没有明显改变；形变温度降低对MX相的析出没有明显影响。 通过Gleeble实验得出较优工艺（1150℃/5min奥氏体化 +850℃/0.1s-1/60%形变 +760℃/90min回火）后，采用锻造完成热变形，回火后进行力学性能测试。 拉伸试验结果表明，相对于正火回火态CLAM钢（N+T CLAM钢），形变热处理强化CLAM钢（TMT CLAM钢）在室温和高温下的屈服强度提高了31%~55%，抗拉强度提高了30%~46%，总伸长率下降了12%~21%。冲击试验结果表明，N+T CLAM钢的DBTT值为-65℃，TMT CLAM钢的DBTT值为-27℃。 正火回火态CLAM钢的蠕变试验表明，在500℃、550℃、600℃和650℃四个温度下的应力指数分别为 16.5、15.0、10.2和7.8；蠕变激活能为556kJ/mol；实验条件下正火回火态 CLAM 钢的蠕变变形机制为位错运动控制机制，蠕变被弥散分布的第二相粒子强化。采用双对数等温线外推法、Larson-Miller参数法两种方法对四个温度下、100000h的持久强度极限进行了预测。在典型包层模块设计寿命条件（550℃/100000h）下，双对数法预测的持久强度极限为 133MPa， Larson-Miller参数法预测的结果为120MPa，与Eurofer 97和F82H的结果不相上下。 形变热处理强化CLAM钢的蠕变试验表明，在相同的550℃温度、230MPa应力下TMT CLAM钢的蠕变断裂时间是正火回火态CLAM钢的54倍；550℃下的应力指数为16.7；蠕变激活能为578kJ/mol；蠕变变形机制也是位错运动控制机制，第二相粒子的强化作用比N+T CLAM钢更明显。在典型包层模块设计寿命条件（550℃/100000h）下，双对数法预测的持久强度极限为168MPa，Larson-Miller参数法预测的结果为176MPa，相对于正火回火态CLAM钢，分别提高了26%和47%。
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