鉛鉍堆緊固件用高硅奧氏體鋼的研發(fā)取得重要進展

針對鉛冷快堆緊固件在極端環(huán)境下的高要求，科研人員通過合金成分調(diào)控與引入氮元素，研發(fā)出高性能的高硅奧氏體鋼，顯著提升了其高溫抗應(yīng)力松弛能力與耐液態(tài)鉛鉍腐蝕性能，為鉛鉍堆緊固件的安全服役提供了重要保障。

鉛冷快堆是第四代核能系統(tǒng)中極有應(yīng)用前景的堆型，堆內(nèi)起著關(guān)鍵聯(lián)結(jié)作用的緊固件在高溫、液態(tài)鉛鉍腐蝕、輻照耦合作用的苛刻環(huán)境下長壽期服役，因此緊固件用鋼除需要具備耐液態(tài)鉛鉍腐蝕能力外，還需要優(yōu)良的抗應(yīng)力松弛能力。近期，中國科學(xué)院金屬研究所特種合金研究部通過合金成分調(diào)控，提升“Ni/Cr當(dāng)量比”，顯著延緩緊固件用高硅奧氏體鋼在典型服役溫度-510℃長時時效時，晶界發(fā)生的奧氏體分解現(xiàn)象(γ→M6C+α)。在此思路基礎(chǔ)上，通過引入氮元素抑制Ni、Cr、Si、Mo元素在晶界的偏聚，阻礙了長時時效過程當(dāng)中晶界處的奧氏體分解，將其在510℃的高溫抗應(yīng)力松弛能力提升34%，同時耐液態(tài)鉛鉍腐蝕性能不下降(圖1)。
通過兩步時效處理，解決了鋼中G相與γ′相之間的競爭析出問題，成功將L12-Ni3(Al,Ti)高溫穩(wěn)定相引入高硅奧氏體鋼中，研發(fā)出緊固件用沉淀強化型高硅奧氏體鋼。經(jīng)600℃長期時效后，未出現(xiàn)顯微組織失穩(wěn)現(xiàn)象(圖2)，在510℃服役后應(yīng)力不松弛(圖3)，且仍具有優(yōu)良耐液態(tài)鉛鉍腐蝕性能(圖4)，大幅提高了鉛鉍堆緊固件的服役安全裕度。
上述研究成果發(fā)表在Scripta Materialia261 (2025) 116611、Journal of Materials Science & Technology226 (2025) 270-289、Materials Science and Engineering: A(2024) 146478、Materials Science and Engineering: A913 (2024) 147063期刊上。第一作者為蘇元飛博士，通訊作者為戎利建研究員、嚴(yán)偉研究員和史顯波項目研究員。該研究工作得到了中國核工業(yè)集團公司領(lǐng)創(chuàng)科研項目和遼寧省自然科學(xué)基金資助。
圖1 含氮高硅奧氏體鋼的顯微組織、力學(xué)性能和耐液態(tài)鉛鉍腐蝕性能
圖2 L12強化的高硅奧氏體鋼在600℃時效前后的顯微組織
圖3 L12強化的高硅奧氏體鋼在510℃的高溫抗應(yīng)力松弛性能
圖4 L12強化的高硅奧氏體鋼550℃飽和氧耐液態(tài)鉛鉍腐蝕性能