核电用铁素体/马氏体耐热钢的性能与成分研究进展

牛犇¹，王镇华¹，潘钱付²，刘超红²，王清¹，董闯¹

1. 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室&材料科学与工程学院2. 中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室

摘 要：近年来,随着核电系统的不断发展,作为第四代核反应堆体系主要堆型的铅冷快中子反应堆（LFR）因其良好的导热性和中子经济性而成为目前研究的热点。为了优化铅铋冷却剂中包壳材料的腐蚀和辐照性能,作为火力发电重要高温结构材料的9%～12%Cr铁素体/马氏体钢（F/M）因良好的抗腐蚀性和耐辐照肿胀性能而成为铅冷快中子反应堆的候选包壳材料。然而,铁素体/马氏体耐热钢作为候选包壳材料,在服役过程中由于承受核燃料裂变带来的高温和辐照会加剧材料的腐蚀,同时辐照会进一步加剧材料的高温组织不稳定性,进而影响材料的高温力学性能。对于以上问题,近年来研究者主要从成分和工艺的角度出发,在9%～12%Cr F/M钢的基础上通过调整微量元素的添加以及改变热处理工艺,来设计满足服役要求的F/M钢合金体系,目前已经形成了Cr-Mo和Cr-W两种体系。研究结果表明,微量元素的添加对F/M钢的高温组织稳定性和力学性能至关重要;热处理方式的改变可以实现强度与塑性的良好匹配。本文系统总结了F/M钢各方面性能的研究进展,包括力学性能、耐腐蚀性能、抗辐照性能以及组织稳定性;进而归纳出合金性能与其成分之间的演化规律;最后,利用基于固溶体溶质化学短程序特征的团簇式成分设计方法探索了现有F/M钢的合金成分演化规律,提出了改良低活化F/M钢的多元团簇式合金成分,并结合热力学计算,有望发展出高性能多元合金化的F/M钢。

关键词：金属材料;铁素体/马氏体钢;辐照性能;微观组织;成分设计;