摘要
高温材料是指在高温下能够保持优良性能的材料，其用途极为广泛，典型的例子有现代航空发动机的涡轮部件、火箭以及核反应堆关键构件等。在这些服役环境中对材料性能有非常严苛的要求，镍基高温合金因在高温下仍具有优良的抗蠕变、抗疲劳性能而成为高温服役材料的首选，其中国产镍基高温合金GH4169因其优异的综合性能被广泛受到关注。被视为第四代核能系统六大重点研发的核心技术之一的气冷快堆，即气冷快中子增殖反应堆，具有更高的安全性能和商业竞争优势，并且还拥有低核废料产量的特点。由于其堆芯的出口温度可达850℃的高温，并且GH4169合金作为反应堆堆芯弹性元件和紧固件的首选材料，在长期服役下还会承受机械交变载荷的影响，从而导致出现热老化(thermalaging)现象，容易产生疲劳裂纹，造成不可挽回的后果。 鉴于以上问题，本文对核电用GH4169合金在900℃下进行加速热老化试验来模拟并研究其在实际运行温度即850℃下的组织演化行为，通过开展单轴拉伸和低周疲劳试验，揭示热老化对GH4169合金拉伸性能及低周疲劳性能的影响规律;找到组织演化与力学性能和疲劳性能的对应关系，收集基础数据，为材料热老化机理以及核电站的延寿工作提供重要的理论支撑和工程实践意义。 研究发现，GH4169合金在热老化过程中，组织出现了不同程度的变化。随着热老化时间的延长，δ相的析出位置、形状及取向出现明显变化，且造成δ相析出两侧Nb元素贫化。采用X-Ray衍射技术定量分析δ相的体积分数，发现当热老化温度一定时，随热老化时间的延长逐渐增大，δ相析出动力学满足Avrami方程。同时对GH4169合金的热老化动力学评估，利用Arrhenius公式得出合金在800℃～900℃范围内的热老化激活能Q约为149.58kJ·mol-1,从而计算出900℃与850℃加速热老化试验的等效热老化时间比为2∶1。 单轴力学性能测试结果显示，随着热老化时间的延长，δ相对GH4169合金在室温、650℃和850℃的拉伸性能具有显著的影响。无论是室温拉伸还是高温拉伸,适量的δ相析出会有强度的提高，过量析出则反之。随着温度的升高，拉伸时的屈服强度和抗拉强度都会有不同程度的减少，但在850℃下，合金的塑性更好，断口的韧窝尺寸也会受到δ相含量的影响而有所不同，同时维氏硬度表现出先增加后趋于稳定的趋势，其与拉伸强度存在一定的线性关系。 低周疲劳性能测试结果显示，GH4169合金呈循环软化特性，δ相的析出与长大会显著影响对室温循环变形行为，但对650℃下循环性能的影响并不明显。室温及650℃下低周疲劳裂纹的扩展均为沿晶-穿晶混合扩展模式，裂纹均萌生于试样表面。随着温度的升高，低应变幅下GH4169合金不同热老化时间下试样低周疲劳寿命显著降低，但是无论在室温还是高温下，不同热老化时间下试样的低周疲劳寿命差距不大。提出了热老化损伤的概念，建立了基于热老化损伤的低周疲劳寿命预测模型和基于循环应变幅的低周疲劳寿命预测模型，并对热老化后材料的低周疲劳寿命进行预测，发现后者较前者具有更好得预测效果。
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