摘要
由于铅冷快堆的特性，其包壳材料的服役环境具有温度高、冷却剂腐蚀性强和中子辐照剂量高等特点。铁素体马氏体(Ferriticmartensitic,FM)钢作为最有潜力的包壳材料候选材料，仍会面临流动的冷却剂对其表面造成严重的腐蚀和磨损最终导致其失效。为了提升FM钢的性能，本研究课题采用表面激光熔覆技术在典型FM钢表面成功制备了与基体具有良好的冶金结合、性能优良的FeCrAl基复合涂层。之后，综合利用X射线衍射(X-raydiffractometer,XRD)、电子通道衬度(electronchannelingcontrast,ECC)、能谱(energydispersivespectrometry,EDS)、电子背散射衍射(electronbackscatterdiffraction,EBSD)等分析测试技术对各复合涂层样品的截面进行细致的表征，以获得涂层各区域的微观组织特征。通过硬度试验和摩擦磨损试验对基体和激光熔覆后的样品进行相应的性能测试，并且利用分析测试技术对性能测试后的样品进行表征，以获得性能提升与微观组织变化之间的关系。课题主要的研究结论如下所示： (1)FM钢表面通过预置粉末后采用激光熔覆技术成功制备四种复合涂层，分别为FeCrAl、FeCrAl-TiC、FeCrAl-TiN和FeCrAl-TiB2复合涂层。四种涂层样品均存在三种微观结构特征不同的区域：熔覆区(claddingzone,CZ)、热影响区(heataffectedzone,HAZ)、基体(Substrate)。相较于未添加陶瓷相的纯FeCrAl涂层样品的CZ均由柱状晶铁素体组成，晶内弥散分布着大量第二相颗粒；而添加陶瓷相后，样品CZ的晶粒由原柱状晶转变为细小的等轴晶，晶粒发生明显的细化。 FeCrAl、FeCrAl-TiC、FeCrAl-TiN和FeCrAl-TiB2样品的CZ表面硬度分别为362.5±12.3HV、334.6±12.2HV、246.2±11.5HV和352.2±29.1HV，其中相较于FM钢基体(267.5±2.7HV)，FeCrAl、FeCrAl-TiC和FeCrAl-TiB2样品硬度分别提升了35%、25%和32%。CZ的硬度增加则主要与晶粒细化、弥散强化及固溶强化有关。磨损过程中，基体和四种涂层样品均主要发生磨粒磨损和氧化磨损，其中耐磨损性能提升较为明显的FeCrAl-TiC和FeCrAl-TiB2样品的磨损率分别为0.7×10-5mm3·N-1·m-1和1.2×10-5mm3·N-1·m-1，仅为基体的2.4%和4.1%。 (2)选择性能较好的FeCrAl-TiB2复合涂层成分作为基础，分别在涂层设计时添加不同含量的Si元素，采用激光熔覆技术在FM钢表面成功制备三种复合涂层样品，分别为FeCrAl2Si-TiB2、FeCrAl5Si-TiB2和FeCrAl8Si-TiB2复合涂层。三种涂层样品的CZ均由细小的等轴晶(铁素体)组成，相较于基体均发生了明显的晶粒细化，同时在等轴晶晶粒内部弥散分布着大量的第二相颗粒(Al2O3化合物)。 FeCrAl2Si-TiB2、FeCrAl5Si-TiB2和FeCrAl8Si-TiB2样品的CZ近表面硬度分别为311.3±5.4HV、350.8±11.6HV和459.4±7.2HV，相较于FM钢基体(267.5±2.7HV)，硬度分别提升了16%、31%和72%。这主要是归因于Si元素的固溶强化作用，除此之外还与晶粒细化、弥散强化有关。对于磨损性能，FeCrAl2Si-TiB2、FeCrAl5Si-TiB2和FeCrAl8Si-TiB2样品的磨损率分别为0.78×10?5mm3·N-1·m-1，0.80×10?5mm3·N-1·m-1和0.84×10?5mm3·N-1·m-1，分别仅为基体的2.8%、2.9%和3.1%。FM钢基体的磨损机理主要为以磨粒磨损为主，伴随着氧化磨损；三种复合涂层的磨损机理则是以黏着磨损为主，伴随着磨粒磨损和氧化磨损。 (3)综合所有的复合涂层比较，与基体具有良好的冶金结合且涂层质量完好无明显孔洞和裂纹的涂层主要有五种，通过后续性能试验测试后，得到各涂层性能的数据，可以知道这五种涂层的硬度和耐磨损性能相较于FM钢基体均有明显的提升。本课题研究表明，通过激光熔覆技术在FM钢表面可以成功制备组织致密、硬度性能和耐磨损性能均明显提升的FeCrAl系复合涂层。
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