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科研进展
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熔盐堆Hastelloy N合金钎焊接头组织和力学性能研究
发表时间:2021-02-28 阅读次数:407次

背景简介

熔融盐反应堆(MSR)是第四代先进核反应堆,其苛刻工作环境涉及高温、熔融盐腐蚀和强中子辐射等,对压力容器、热交换器和冷却剂回路等结构部件的材料有较高要求。镍基高温Hastelloy N合金由于其出色的高温性能和耐腐蚀性被认为是一种MSR的候选结构材料。但由于结构部件的复杂性和不连续性,必须采用焊接的方式对镍基Hastelloy N合金进行连接。实现镍基Hastelloy N合金的高质量连接对整体结构部件的安全运行具有重要意义。其中钎焊方法具有操作工艺简单、经济性高、焊后变形小和形状尺寸适应性强等优点,在复杂结构、薄壁零件和严格焊接质量要求的航空、核电等领域得到广泛应用。为了拓宽镍基Hastelloy N合金的应用领域,有必要开展高强度/高质量的镍基Hastelloy N合金钎焊技术的探索。

成果介绍

  1. 接头内的典型组织

采用BNiCrWBSi钎料在1120-1240 °C和保温0-50 min条件下对典型镍基Hastelloy N合金进行了钎焊连接。接头区域可划分为母材区/扩散区(DAZ)或细晶区(FGZ)/等温凝固区(ISZ)/扩散区(DAZ)或细晶区(FGZ)/母材区(图1-2)。ISZ区主要由镍基固溶体、M6C/M3C2型碳化物和M5B3/M3B2型硼化物组成,DAZ区析出物主要为硼化物。随着钎焊温度的升高,ISZ中碳化物和硼化物的数量减少。当钎焊温度达到1240 °C时,ISZ区不存在硼化物,仅观察到碳化物。当钎焊温度升至1240 °C时,接头内DAZ消失,由熔化液相母材凝固形成的FGZ出现。

图1不同温度下钎焊10 min的Hastelloy N-Hastelloy N合金接头的微观组织背散射SEM

a) 1120 °C,b) 1160 °C,c) 1200 °C和d) 1240 °C

图2 1240 °C/10 min钎焊工艺下获得的Hastelloy N合金接头:a) 接头微观组织背散射SEM,b-d) a) 中绿色框,黄色框,红色框区域的相分布,e-g) 晶粒取向,和h-j) 晶界取向差

(2) 接头的剪切性能及断裂机理

对不同钎焊工艺下获得的接头进行剪切试验,结果表明最高剪切强度(588.9 MPa)对应的钎焊工艺为钎焊温度1240 °C,钎焊时间为10 min。剪切试验中,接头沿ISZ区中心线扩展。硼化物中呈现单一裂纹扩展模式,但在碳化物中为主裂纹+次裂纹的多裂纹扩展模式(图4)。因此,脆性硼化物的存在不利于阻碍裂纹扩展,而具有一定延性的碳化物可起到钝化裂纹和形成二次裂纹的作用(图3-4),从而增强接头强度。

图3 ISZ区硼化物和碳化物中不同的裂纹扩展方式

图4 ISZ中裂纹扩展机制示意图

(3) 钎焊接头组织和力学性能的高温稳定性

采用热处理试验(热处理温度:800 °C,时间:0-480 h),对钎焊接头(1240 °C/10 min)进行了高温稳定性研究。热处理后的钎焊接头ISZ区域中重新出现M5B3析出物,导致接头剪切强度降低。接头经热处理后的最低剪切强度仍可达465.7 MPa,说明采用BNiCrWBSi钎料钎焊的Hastelloy N合金接头具有较好的高温环境适用性。

 

该研究工作得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金 和浙江省自然科学基金的支持。

 

引文格式:

GB/T 7714

He Y, Xiao F, Sun Y, et al. Tailoring microstructure and mechanical performance of Hastelloy N-Hastelloy N superalloy joint through modifying brazing processing parameters and post thermal exposure[J]. Materials Characterization, 2021: 110947.

MLA

He, Yanming, et al. "Tailoring microstructure and mechanical performance of Hastelloy N-Hastelloy N superalloy joint through modifying brazing processing parameters and post thermal exposure." Materials Characterization (2021): 110947.

APA

He, Y., Xiao, F., Sun, Y., Lu, C., Chen, S., Chen, W., ... & Gao, Z. (2021). Tailoring microstructure and mechanical performance of Hastelloy N-Hastelloy N superalloy joint through modifying brazing processing parameters and post thermal exposure. Materials Characterization, 110947.

(图文供稿:浙江工业大学闾川阳;

网络编辑:侯志伟,费嘉文,温建锋)