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高溫母合金的案例

首鋼“兩機”重大專項材料研發取得突破
目前,首鋼北冶公司成功研發出鑄造高溫母合金、變形高溫合金高溫刷絲密封、高端焊接等特種材料,可用于航空發動機的動力部件、控制系統等的制造;同時,在重型燃氣輪機葉片首批材料項目攻關中,成功研發出具有耐高溫、耐腐蝕、使用壽命長等特點的鈷基高溫母合金、鎳基高溫母合金樣品材料。 首鋼北冶公司黨委書記、董事長降向冬介紹,為了滿足“兩機”核心材料對先進工藝裝備設計和制造的要求,他們投資進行冶煉生產線改造,新建了容量為3噸的真空冶煉爐,同時組建起一支高技術人才團隊,從材料的調研、設計到實驗展開一系列攻關。   由于“兩機”材料制造工藝極其復雜,世界上只有少數國家能夠獨立研制。“沒有參考資料,時間緊迫是研發過程中遇到的最大困難。”首鋼北冶公司材料研究所所長李振瑞介紹,“‘兩機’核心材料的開發,必須借助大量的經驗數據。由于國外技術的嚴密封鎖,我們只能靠自己摸索,不斷實驗,獲得數據。攻關團隊為了一項數據,有時一個星期都吃住在辦公室,夜以繼日,反復進行實驗。”
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航空發動機用粉末高溫合金及制備技術研究進展
可見,粉末的表面形貌也是控制高溫合金粉末O 含量的重要因素。 2.4.2 高溫合金粉末形貌高溫合金在氣體霧化過程中,金屬液流受到高速氣流的沖擊而解體,形成細小的熔滴。這些熔滴由于表面張力的作用,在下降過程中具有形成球體的趨勢,因而一般氣體霧化的金屬粉末以球形為主。氣體霧化粉末的球形度主要取決于金屬熔體破碎后熔滴球化時間和凝固時間的相對大小。當熔滴的球化時間比凝固時間短時,在凝固前能夠進行充分的球化,則凝固后所得粉末多為規則球形;反之則熔滴在凝固前不能進行充分的球化,凝固后將形成不規則形狀的粉末顆粒。課題組采用Ar 氣霧化制備的高溫合金粉末以球狀為主,平均球形度為0.90(圖10)。 2.5 粉末中非金屬夾雜物的控制 粉末高溫合金中非金屬夾雜物會影響合金的低周疲勞性能[32,33]。對高溫合金母合金非金屬夾雜物分析表明,母合金純凈度對粉末的非金屬夾雜物含量有影響。粉末中部分非金屬夾雜物,如Mg 和Al的氧化物等,可能來源于熔煉過程中的耐火料。本課題組采用電子束紐扣錠將粉末態和固結成形態中的粉末高溫合金中非金屬夾雜匯聚,采用同步輻射X 射線衍射(synchrotron X-ray diffraction)研究夾雜物的遺傳特性,X射線波長為0.082577 nm。結果表明,Al2O3夾雜會從粉末遺傳到塊體合金中,因此需從源頭控制該類非金屬夾雜。
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航空發動機用高溫合金的鑄造、鍛造工藝
本文作為補充內容,介紹航空用高溫合金的加工工藝,包括鑄造工藝、鍛造工藝,以及鑄件、鍛件在航空發動機零部件的應用。 注:高溫合金原材料的加工還有熔煉工藝,可以參考轉發的文章 鎳基合金VIM+ESR+VAR三大熔煉工藝簡析 (qq.com) 鑄造工藝 航空發動機零件使用最多的是熔模鑄造工藝,特點是可以獲得最終尺寸的零件,并且成本相對較低。但是鑄件常見問題如氣孔、偏析等,機械性能無法跟鍛件相比。 航空發動機中,使用鑄件的零部件有渦輪葉片、風扇框架等,主要的制造工藝是:真空感應熔煉、鑄造、機加、精整。 從顯微組織結構上看,鑄件可分為3大類: 等軸晶鑄件,主要用于制造低壓渦輪零部件。工藝的特點是液態金屬的凝固速率只受限于膜殼的散熱能力。為了控制熱量損失的速率,膜殼通常都是絕熱的。所獲得的鑄件產品是多晶體結構,晶粒生長方向也是隨機的。 定向凝固,主要也是用于制造低壓渦輪零部件。基本原理是使用冷卻機構從一端吸收熱量,使得鑄件只沿著一個方向凝固。 單晶凝固是鑄造工藝的特殊應用,只用于承受最高溫度的應用,比如高壓渦輪葉片,燃燒室零部件等。其原理跟定向凝固相同,控制凝固溫度梯度;區別是單晶需要使用籽晶,使得液態金屬凝固時,能夠沿著擇優晶向生長,最終獲得只有一個晶粒的產品。當今世界上先進的發動機高壓渦輪葉片都是100%單晶。什么時候開始的呢?30年前! 單晶爐示意圖: 高溫合金由于其合金化元素超過10種以上,最常見的問題第一個就是偏析,所以,高溫合金必須通過均勻化熱處理消除偏析。當合金錠偏析嚴重無法消除時,可以使用粉末冶金技術,但缺點是成本較高。如下圖,單晶葉片配粉末盤。 鍛造工藝 航空發動機中,使用鍛件的零部件有盤、鼓筒軸、風扇和壓氣機葉片等,主要的制造工藝是:熔煉、轉坯、鍛造、機加、精整。
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3D打印鎳基單晶高溫合金
鎳基單晶高溫合金是航空航天等領域的關鍵材料,用于高溫零部件的制造。目前,這些零部件的制備工藝主要以定向凝固精密鑄造為主。對金屬3D打印技術而言,能否實現單晶組織的連續生長是一個巨大挑戰。以往的研究主要集中在利用3D打印技術分層疊加原理,對單晶基體(如燃氣輪機的渦輪葉片)進行修復,目前可以實現成形若干層單晶組織。 據研究人員報到,該研究成功的秘訣是采用了精確的工藝參數控制合金的熔化及凝固過程。研究者認為,所采用的工藝為何能夠制備出單晶仍需要深入分析,初步認為是所采用的掃描策略對晶粒的生長具有選擇效果,因而能夠實現單晶的制備。由圖1可以看出,制備的塊狀試樣上部縱截面上,枝晶細密且連續生長,沒有明顯的裂紋等缺陷。 該研究突破了較大體積鎳基高溫合金單晶組織的3D打印,使3D打印技術用于單晶高溫合金零部件的制造成為可能,對于3D打印技術進一步應用于航空航天等領域熱端零部件的制造具有重要意義。 來源:機械制造系統工程國家重點實驗室
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高溫母合金圖1
《Acta Materialia》:高溫下氦注入納米鐵素體合金的氣泡形成!
氦氣在輻照材料中會導致低溫硬化、空腔膨脹和高溫晶界脆化,它們最終決定了大多數材料的工作溫度和服役時間限制。有人提出,通過增加He捕獲點的數量來控制氣泡大小或將He與晶界隔離,可以減輕這些負面影響。輻射誘發空位的誘捕可能性、間隙原子和He原子可以通過吸收強度進行量化,這一概念推動了納米結構鐵素體合金(NFAs)的發展,該合金具有工程設計的高吸收強度微觀結構,例如通過傳統煉鋼技術生產的含有碳化物或氮化物析出的可鑄態納米結構合金(CNAs),通過機械合金技術生產的氧化物分散強化(ODS)合金。多項研究表明,納米級的分散體在長時間的高溫環境下是穩定的,可以增強機械性能,提高材料的抗輻射性能,并將大量氦隔離到小氣泡中(氣泡與分散體的附著)。然而,仍然缺乏系統的輻照數據顯示納米顆粒的密度及其在鐵素體合金中的氨捕獲能力(結合能)如何影響高溫下的氦氣泡密度和尺寸。 美國田納西大學的研究人員通過掃描/透射顯微鏡觀察了Fe-9/10Cr合金和兩種彌散增強納米合金(CNA3和14YWT)的氦泡形成。表明兩種納米合金中的納米粒子都能有效捕獲He。在納米結構合金中,可以將氦隔離至更小的氣泡中(這導致更低的體積膨脹值,并保護氦不受晶界的影響)來控制非常高的氦濃度。相關論文以題為“Bubble formation in helium-implanted nanostructured ferritic alloys at elevated temperatures”發表在Acta Materialia。
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Arconic開發出新型高溫航空用鈦合金
先進鈦合金,已獲得商業許可。該合金被設計應用于高溫用途的下一代航空發動機和鄰近結構中。正值下一代航空發動機火熱運行中,ARCONIC-THOR是一種更輕,更具成本效益的新型鈦合金,來替代當前的鎳基超級合金。這項專利的鈦合金比當前鎳基合金輕50%,更適合用于耐高溫航空發動機和鄰近結構中,并且可以為客戶節約成本,使公司抓住發動機和機身材料市場的需求。 ARCONIC-THOR是一款具有突破性的航天材料,其性能是傳統合金所不及的,Arconic工程結構的總裁Jeremy Halford稱,下一代節油型航空發動機廣泛使用,對排氣系統材料和相鄰結構的材料選擇是一個挑戰。利用我們的材料科學專業知識,我們的工程師研發的ARCONIC-THOR?強大的鈦材解決方案,可以承受受熱量和相當大的重量,為我們的客戶節約成本。 在Arconic的專利合金范圍內,的特殊專利配方與現有的高溫合金相比,它的抗氧化性提高了三倍。這種改進的抗氧化性可以防止在溫度升高時材料變質,相比于市場上其他傳統的鈦合金,ARCONIC-THOR合金在耐用溫度時能更好的運行。 Arconic已經與客戶合作完成了開發項目ARCONIC-THOR,其中包括由美國空軍研究實驗室資助的飛機項目制造商波音和飛機發動機制造商霍尼韋爾,其中我們采用ARCONIC-THOR板材生產全部大型零部件。聯合材料負擔能力倡議(MAI)項目驗證了ARCONIC-THOR作為一種可生產、高抗氧化鈦合金在溫度高達200°F以上具有可接受的抗氧化性。項目進一步得出結論ARCONIC-THOR顯著降低了重量并改善了部件性能。 汽車工程師學會-航空航天材料規范鈦和難熔金屬委員會(SAE-AMS)最近批準了標準航空材料規范(AMS) 6953用于ARCONIC-THOR 板材。
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Ti60 高溫合金環件組織性能與分析
高 結束語 Ti60 高溫合金環件采用3t 自由鍛錘改鍛和制倍組織見及圖5 ~圖8,表4 為具體檢測數據,結果均合格。 圖4 低倍組織無清晰晶及冶金缺陷 圖5 中心取樣點1 的高倍組織 表3 鍛件室溫力學性能 圖6 中心取樣點2 的高倍組織 圖7 外圓取樣點的高倍組織 圖8 內圓取樣點的高倍組織 表4 鍛件高倍檢驗 表5 鍛件高溫拉伸性能和熱穩定性能 注:經600℃×100h +空冷熱暴露 高溫拉伸性能和熱穩定性能見表5;沖擊性能、高溫持久和高溫蠕變性能見表6。坯,在φ1200mm 擴孔機上成形,并在熱處理和粗加工后進行全面理化性能檢測,以驗證現行熱加工工藝的合理性及有效性,為后續生產Ti60 高溫合金鍛件提供實踐經驗。 表6 鍛件沖擊性能和高溫持久、高溫蠕變性能 試制過程及理化性能檢驗結果顯示: ⑴在3t 自由鍛錘上進行Ti60 高溫合金原材料改鍛、制坯工藝合理可行。通過自由鍛錘制坯、馬擴、擴孔等工序的變形后對Ti60 高溫合金環坯進行探傷,結果φ0.8mm 平底孔雜波為-12 ~-6dB,φ1.2mm 平底孔雜波為-12dB 的水平;改鍛效果比較明顯,高低倍組織符合技術要求。通過端面低倍檢查無異常。 ⑵力學性能,室溫拉伸、600℃拉伸、缺口拉伸、600℃+100h+試樣熱穩定性、持久和蠕變性能均得到了較好的試驗數據(高低周疲勞未進行檢測)。 ⑶試制表明輕擊快鍛及多火次對Ti60 高溫合金組織影響顯著,具體定量研究快速變形對Ti60 合金的影響尚未明確,待其他相關工作進一步深入研究。 通過以上Ti60 高溫合金環件鍛造過程試制:φ500mm×φ485mm×200mm 環件Ti60 高溫合金鍛件滿足組織性能要求。
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強度大大提高,MIT用納米陶瓷纖維強化3D打印高溫合金
更好的性能 研究團隊的方法以 Inconel 718材料為基礎,這是一種流行的“高溫合金”,用于增材制造中需要承受極端條件(例如 700 攝氏度,約 1,300 華氏度))等極端條件的應用。該團隊寫道,他們用少量陶瓷納米纖維研磨商用 Inconel 718 粉末,導致納米陶瓷在 Inconel 顆粒表面均勻包覆。 然后將所得粉末用于通過激光粉末床熔合制造零件。研究人員發現,與僅使用 Inconel718 制成的零件相比,使用這種新粉末制成的零件的孔隙率和裂紋明顯減少。而這反過來又會導致零件的強度大大提高,這些零件還具有許多其他優勢。例如,它們更具延展性,或可拉伸性,并且具有更好的抗輻射和高溫載荷能力。 Li說:“此外,這一強化過程本身的成本并不高,并且適用于現有的 3D 打印機。只需使用我們的粉末,您就會獲得更好的性能。” 未參與這項工作的香港中文大學助理教授徐松評論道:“在這篇論文中,作者提出了一種打印由陶瓷納米纖維增強的鎳基合金 718 金屬基復合材料的新方法。激光熔化過程引起的陶瓷原位溶解增強了 Inconel718 的耐熱性和強度。此外,原位強化減小了晶粒尺寸并消除了缺陷。未來金屬合金的 3D 打印,包括高反射率銅的改性和高溫合金的斷裂抑制,都可以從這項技術中明顯受益。” △麻省理工學院的研究團隊報告了一種簡單、廉價的方法來制備航空航天和核能發電應用的關鍵強化材料。這張照片中打印基板上的“海貍“造型和其他形狀是使用新技術創建的。照片來源:亞歷山大·奧布萊恩 巨大的新空間 Li教授說:“這項工作可以為合金設計開辟一個巨大的新空間,因為超薄 3D 打印金屬合金層的冷卻速度比使用傳統熔體凝固工藝制造的散裝部件的冷卻速度快得多。因此,許多適用于鑄造的化學成分規則似乎不適用于這種 3D 打印。
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某FGH97合金渦輪盤斷口高溫氧化機理分析
本文首先設計FGH97合金高溫氧化試驗,以某GH97合金渦輪盤為例,模擬FGH97合金試件的高溫氧化過程;然后,觀察試件表面氧化皮顏色特征,明確氧化皮成分,推導出FGH97合金渦輪盤破裂失效時的工作溫度;最后,對不同溫度下FGH97合金的氧化過程進行分析和討論,得到FGH97合金高溫氧化機理。 1 高溫氧化試驗 試件材料與合金渦輪盤源于同一批母材,主要化學成分如表1所示。取 9件試件,用砂紙精磨試件檢測面,直至Ra≤0.6 μm。高溫氧化試驗試件保溫溫度分別為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃。高溫空氣爐預熱到指定溫度,將試件送入爐中,再次加熱,使高溫空氣爐恢復到指定溫度,保溫120 min、空冷1 h,觀察試件表面氧化狀態。為了使試件氧化過程更加接近渦輪盤實際工作狀態,在確保高溫空氣爐溫度保持穩定的前提下,使爐膛內外空氣可輕微流動。 2 氧化皮顏色特征觀察 高溫模擬試驗后, 9件試件表面氧化皮顏色特征如圖1所示。由試驗得知, FGH97合金在600~1000℃下保溫120 min、空冷1 h,表面氧化皮顏色變化可分為三個階段。第一階段為600~700℃,試件表面顏色以黃色為主。700~750℃為第一階段與第二階段的過渡階段,試件表面顏色從暗黃色轉變成淺藍色。第二階段為750~850℃,試件表面顏色以藍色為主。850~900℃為第二階段與第三階段的過渡階段,試件表面顏色從淺藍色轉變成銀灰色(局部淺綠)。第三階段為900~1 000℃,試件表面顏色以灰色為主,隨著溫度的提高,表面顏色從銀灰色(局部淺綠)向暗灰色轉變。 3 氧化皮成分分析 分別對9件試件表面氧化皮做能譜分析,含量變化結果如圖2所示。
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西安交大《Scripta》:高熵合金高溫氫化水的環境老化行為!
HEA通常比傳統合金更貴,因為它含有高濃度的合金元素。對于一些要求較高的應用環境,較高的成本是值得的,因為目前的傳統合金幾乎不能滿足性能要求。因此人們在研制抗輻射HEAs方面進行了大量的研究工作。著名的Cantor合金(等原子FeNiCoMnCr),由于其優越的力學性能,在核反應堆的潛在應用中考慮到應消除Co以降低輻射后的活度水平,降低Cr含量以穩定奧氏體相并再次減少輻射脆化而被調整為FeNiMnCr。該四元合金仍然保持了原始Cantor合金的優良力學性能,并且在相穩定性和輻射方面比傳統的FeCrNi奧氏體合金表現更好,在輻射劑量為1 dpa時表現出良好的相穩定性。該材料具有良好的抗輻射性能,是一種有應用前景的核反應堆結構材料,然而要對其在特定反應器環境中的老化行為進行全面的評價,還需要對其進行仔細的研究。 西安交通大學的研究人員首次研究了在類似壓水堆一回路水環境的高溫氫化水中,FeNiMnCr HEA的應力腐蝕開裂(SCC)誘發和氧化行為。
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:鎳基高溫合金界面位錯網絡的再偏析
錸(Re)是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強度的元素。但是,并沒有得到廣大研究者的認同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機的,而是以納米團簇的形式出現,因此障礙位錯運動。與此同時,一些研究人員聲稱,無法通過使用三維(3D)原子探針斷層掃描(APT)或擴展的X射線吸收精細結構光譜找到高溫合金中的Re團簇。最近,在單晶高溫合金的界面位錯核心處,發現了Re偏析,伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動,從而提高超級合金的抗蠕變性。但是,在Ni基高溫合金中,Re原子的空間分布和“Re效應”的機制仍不清楚。 【成果簡介】 近日,中國浙江大學張澤院士團隊的李吉學教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen合作,采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡(TEM)和能量色散X射線光譜(EDS)分析了鎳基單晶高溫合金中錸(Re)的分布。發現Re原子在界面位錯核心附近的拉應力區域分離,形成“Cottrell大氣”,偏析過程由位錯管擴散促進。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)應變研究表明,沿相界分布Re的位錯網絡充當了機械壁,有效地阻止了位錯運動和裂紋擴展。同時,Re分離的程度可以通過熱處理來調節。理論分析表明,這種顯著的合金化效應主要來源于Re局部組分應變與位錯應變之間的相互作用,導致界面位錯網絡顯著穩定。此結果為理解鎳基高溫合金力學性能中Re效應的起源提供了新的視角,有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設計高性能的不含Re高溫合金。相關成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發表在Acta Materialia上。
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高溫母合金圖2
看DEFORM在高溫合金微觀組織計算中的應用
本文為大家介紹DEFORM高溫合金微觀組織計算應用。 IN-625是一種常用于航天、航海和能源行業的高溫鎳基合金,主要用于高腐蝕、高溫和高強度環境下。高溫下的強度必然導致極大的鍛造載荷,因此在生產少量鍛件以后,模具經常發生失效。 細化晶粒是IN-625合金的強化機制,如下圖所示。細晶粒的鍛件相比粗晶粒鍛件具有更高的屈服和抗拉強度值。另外,在高溫下單個晶粒生長迅速,因此為了滿足機械性能要求,將使用較低的鍛造溫度。 隨著溫度的降低,IN-625合金變形需要的流動應力迅速增加。相反的,在較高溫度下鍛造高溫合金充滿模具型腔過程具有低的流動應力,需要鍛造載荷也較低。高溫鍛造減少了模具中的應力,從而增加了模具壽命。因此,從模具的角度來看,較高的鍛造溫度是優選的。 不幸的是,這些相互競爭的過程正朝著相反的方向發展。鍛造溫度越低,晶粒越細,強度性能越好。而較高的鍛造溫度又能提高模具壽命。 合金的鍛造過程是通過動態、亞動態和靜態再結晶來細化晶粒尺寸。沒有簡單的設計方法可以確保鍛件在不損壞模具的情況下滿足機械性能要求。 在DEFORM模擬中,JMAK模型提供了鍛件晶粒尺寸的實際估計。DEFORM模擬還允許借助模具應力分析來預測模具失效的可能性。因此,鍛造工程師可以研究折衷方案以成功地鍛造IN-625合金零件。 美國DF公司在生產一個IN-625合金的鍛件時,由于零件為了滿足強度要求,需要在低溫下鍛造,但在鍛打過程中存在嚴重的模具失效問題。
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合金螺栓在高溫有哪些應用場合?大概300度左右
如題
牌號詳解——緊固件用途高溫合金:MP35N
MP35N是美國著名航天飛機緊固件制造商SPS Technologies(精鑄公司)開發的緊固件用途高溫合金。該合金是非磁性鎳鈷鉻鉬合金,具有獨特的性能組合,包括300ksi(2068MPa)的強度,良好的延展性和韌性以及出色的耐腐蝕性,耐高溫能力達400℃,整體與鈦合金較為類似。下面小編為大家介紹MP35N合金機理、化學成分、特點、性能與用途。 MP35N合金機理 MP35N的性能通過加工硬化,馬氏體相變和時效處理來實現。通過冷加工,使基體的一部分產生固態相變,從面心立方(fcc)晶體結構轉變為六方密排(hcp)結構。這種轉變的發生是因為合金中鈷含量高,并被稱為“多相反應”。兩種不同晶體結構的存在對位錯的運動構成障礙并導致明顯的強化。隨后的時效硬化通過溶質分配過程來穩定這兩個階段,幫助進一步加強。 MP35N合金特點 ①高強度,優異的延展性和韌性。 ②緊固件合金中最耐腐蝕,可耐受大多數礦物酸、硫化氫、海水和鹽霧環境,對應力腐蝕、縫隙腐蝕和氫脆有絕佳的耐受性。 ③最高工作溫度為400℃。 ④耐腐蝕緊固件材料的疲勞強度最高。 ⑤最小1000MPa的剪切強度,耐腐蝕緊固件材料中最高。 MP35N合金標準與牌號、化學成分、物理性能如下: MP35N合金用途 MP35N合金可用于航空航天、醫療、海水、油氣井、化學以及食品加工過程環境中的緊固件、彈簧、非磁性組件和儀器部件。
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腐蝕頂刊《Corrosion Science》:合金材料的高溫水腐蝕研究!
近期,中國科學院近代物理所科研人員在合金材料的高溫水腐蝕和輻照/腐蝕研究方面取得進展。    近代物理所核能工程材料室的研究人員針對超臨界水冷反應堆結構材料面臨的強輻照和高溫高壓水腐蝕環境,自主設計和建造了高溫高壓水動態腐蝕實驗裝置,用于反應堆候選結構材料的高溫水腐蝕和輻照/腐蝕模擬研究。該裝置運行的最高溫度為700 ℃、最高壓力為10 MPa、最快水流速為10 m/s、最低氧濃度為5 ppb。    圖1:高溫高壓水動態腐蝕裝置示意圖(劉超/圖) 利用蘭州重離子加速器(HIRFL)等裝置提供的重離子束和高溫高壓水動態腐蝕裝置,科研人員開展了超臨界水冷堆候選材料——SIMP和T91鐵素體/馬氏體鋼的高溫水腐蝕動力學及輻照/高溫水腐蝕行為研究。 結果表明,SIMP鋼比T91鋼具有更好的抗水腐蝕性能。研究還發現流速增強腐蝕現象以及流速對氧化膜的組成結構有顯著影響。重離子輻照/高溫高壓水腐蝕實驗結果證實,輻照導致材料腐蝕速率顯著增大。根據實驗結果,科研人員對材料的高溫水腐蝕行為及其在輻照環境下抗腐蝕性能退化的機制進行了探討。 這些成果為先進水冷堆候選材料的快速篩選和評價提供了重要的研究平臺、實驗方法和科學數據。   
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