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Mn对Hastelloy N合金的力学性能和氧化行为的影响

李建树  
【摘要】:Hastelloy N合金是一种用于熔盐堆的镍基高温合金材料,具有优异的耐腐蚀、抗中子辐照和较好的高温力学性能等优点。但反应堆出口温度达到750℃,超过了Hastelloy N合金许用温度704℃,即该合金不能长期稳定服役于750℃熔盐环境中。因此急需优化Hastelloy N合金,使之满足更高温度熔盐堆的要求。由于Mn元素在高温合金中具有稳定奥氏体,改善抗氧化性等优点,本文以Hastelloy N合金为研究对象,通过设计并制备不同Mn含量的Hastelloy N合金,并借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM+EDS+EBSD)、万能拉伸机、X射线衍射仪(XRD)以及电子探针(EPMA)等实验分析手段,研究了Mn含量对Hastelloy N合金微观组织、力学性能以及氧化性能的影响。取得以下研究成果:(1)Mn元素的添加可促使Hastelly N合金晶粒细化,析出碳化物数量增加,且碳化物逐渐凝结成块状、长链状,并在晶界处聚集。(2)室温拉伸时,0.5Mn合金的抗拉强度较差,Mn含量超过1wt%时抗拉强度得到提高,断口出现韧窝和台阶状纹路组织,断裂方式为解理断裂与韧性断裂组成的混合断裂。850℃高温拉伸时,Mn对合金的抗拉强度无明显影响,断口出现光滑的晶面,断裂方式为沿晶脆性断裂。(3)随着Mn含量的增加,合金抗氧化性能得到提高。在700℃下,1wt%Mn含量合金的抗氧化性最优,氧化速率较0Mn合金降低了25.9%。在850℃下,0.75wt%Mn含量合金的抗氧化性最优,氧化速率较0Mn合金降低了52.1%。(4)氧化膜具有分层结构,700℃/200h氧化后所有合金氧化膜均分为两层,外层为Ni O,Fe2O3等氧化物,内层为Cr2O3,Mo O2和Ni Mn2O4等氧化物,合金表面无明显脱落,Ni O层完整致密。随着Mn含量的增加合金的氧化层逐渐变薄。850℃/100h氧化后,Mn含量为0~0.2wt%的合金,氧化膜分为三层,外层主要为Ni O,中间层为Ni O,Ni Mn2O4等复合氧化物,内层为Cr2O3、Mo O2等氧化物;而Mn含量为0~0.2wt%的合金,氧化膜分为两层,外层为Ni O和少量的Ni Fe2O4、Ni Mn2O4,内层为Cr2O3、Mo O2等氧化物。随着Mn含量的增加合金的内氧化现象逐渐减弱。(5)Mn的添加可促进NiO与基体间形成NiMn2O4尖晶石保护层,有效阻碍了外界O的侵入与合金元素的向外扩散,提高了合金的抗氧化性能。


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