摘要
铁素体/马氏体(F/M)钢因其优异的抗辐照性能、导热性以及与冷却剂良好的相容性，成为铅冷快中子反应堆主要候选包壳材料。然而，铅冷快中子反应堆内苛刻的服役环境，尤其是高的服役温度，对F/M钢的高温强度提出了更高的要求，导致现有F/M钢的高温力学性能不足以支撑其反应堆中的正常运行，因此亟需进一步提高F/M钢的高温力学性能。而事实上，合金的热处理工艺会显著影响合金的微观组织，进而决定合金的力学性能，因此探究热处理工艺对F/M钢组织和性能的影响，对铅冷快中子反应堆包壳材料的发展至关重要。本工作采用CLA16(Fe-11.8Cr-1.5W-0.21V-0.6Si-0.2C-0.14Ta-0.45Mn，wt.%)合金作为实验合金，通过调整热处理温度，设计了10种热处理工艺，研究正火和回火温度对CLA16合金的组织及力学性能的影响，并在其中选出最优热处理工艺。主要研究内容和结论如下： (1)本工作重点研究了不同正火(1050~1100℃)和回火(650~780℃)温度对CLA16合金Φ9mm管材组织及第二相析出行为的影响。结果表明回火温度的改变比正火温度的改变对合金微观组织变化影响更显著。在不同温度热处理后，合金组织均由板条马氏体以及Cr23C6粒子和TaC粒子构成。在同一正火温度下(1050℃)，随着回火温度的增加，Cr23C6粒子显著粗化，长度由650℃的96nm增加到780℃的165nm，体积分数由f=9.4%增加到f=12.5%。而TaC粒子的尺寸维持在r=50nm，体积分数为f=1.0%，马氏体板条宽度由650℃的223nm增加780℃的447nm。 (2)针对CLA16合金，重点研究了不同热处理工艺对其力学性能的影响。研究表明，回火温度的改变比正火温度的改变对合金的力学性能影响更显著。随着回火温度的增加，CLA16合金(1050℃正火)屈服强度逐渐下降，由650℃的σYS=840MPa，降低至780℃时的σYS=593MPa，塑性由EL=14%增加至21%。在高温下(550℃)，650℃回火屈服强度σYS=544MPa，而780℃屈服强度仅为σYS=351MPa。事实上，屈服强度的降低与马氏体板条和析出相的粗化密切相关。基于不同合金强化机制计算了CLA16合金的高强度主要强化来源于合金的位错强化、细晶强化和析出强化，且随回火温度升高，强度贡献由650℃的σdis=293MPa、σg=237MPa和σp=246MPa，降低到780℃的σdis=194MPa、σg=172MPa和σp=205MPa，从而进一步证明粒子的粗化与马氏体结构的变化是导致强度下降的主要原因。 (3)本工作从热处理工艺角度研究了正火和回火工艺对CLA16合金微观组织和力学性能的影响。并研究了合金微观组织与力学性能的内在联系，研究表明回火工艺对CLA16合金微观组和力学性能的影响更显著，考虑经济性和强塑形匹配，最终确定的最优热处理工艺为1050℃/30min正火+750℃/60min回火。
NETL