激光表面重熔对反应堆用典型锆合金显微组织及性能的影响研究

作     者：张方利 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柴林江;胡红军

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锆合金 激光表面重熔 硬度 耐磨性 EBSD 

摘      要：锆合金由于具有优良的核性能、耐腐蚀性能及力学性能成为核工业不可或缺的关键结构材料。但锆合金的硬度通常较低使得其表面耐磨损能力较为有限,这在一定程度上限制了其服役寿命进而增加了使用成本。为了提升锆合金的表面性能,本研究采用激光表面重熔（laser surface remelting,LSR）技术对两种典型的核用锆合金（Zr-4和N36合金）进行了表面改性处理,其后综合利用电子通道衬度（electron channeling contrast,ECC）、电子背散射衍射（electron backscatter diffraction,EBSD）、能谱（energy dispersive spectrometry,EDS）等手段对样品LSR前后的主要显微组织特征进行了细致表征,并将它们与样品的硬度和耐磨损性能进行了关联研究。主要研究结论如下:（1）经100 W和50 W LSR处理后,Zr-4和N36合金表面形貌发生显著变化:其中100 W重熔后Zr-4和N36样品的重熔区（remelting zone,RZ）完全由细小的α板条组成,且板条内部存在许多纳米孪晶;热影响区（heat affected zone,HAZ）由块状α、α板条及第二相颗粒（second phase particles,SPPs）组成。50 W重熔后Zr-4和N36样品的RZ由更为细小的α板条和沿板条界析出的SPPs共同组成（N36）;HAZ则同样由板条α、SPPs和未转变的α晶粒共同组成。（2）100 W重熔后Zr-4和N36合金RZ的平均硬度值分别为254.9±8.5 HV和269.5±7.9 HV,50 W重熔后Zr-4和N36合金平均硬度分别为261.0±6.8 HV和265.7±8.3 HV,均较基体硬度（Zr-4和N36分别为200.9±7.0 HV和204.5±5.6HV）显著提升。综合分析显示,LSR过程中快速加热及冷却造成RZ内部晶粒细化、固溶强化和纳米孪晶界强化共同导致了锆合金表面硬度的提升。（3）磨损测试及分析显示,无论是否经过LSR,磨损过程中两种锆合金表面都主要发生磨粒磨损和氧化磨损。Zr-4合金100 W和50 W LSR样品的磨损率(100 W样品磨损率:4.1×10mm·N·m、50 W样品磨损率:3.8×10mm·N·m)分别比收获态试样的磨损率(5.8×10mm·N·m)降低近30%和35%;N36合金LSR样品的磨损率(100 W样品磨损率:3.6×10mm·N·m、50 W样品磨损率:3.7×10mm·N·m)比收获态试样的(4.4×10mm·N·m)磨损率降低约18%和16%,说明LSR确实能有效提高Zr-4和N36的耐磨性,这主要与LSR引起的样品表面硬度提升有关。（4）对比发现,N36合金经LSR处理后其表面硬度和耐磨性均较Zr-4合金更优,这可能与N36合金中添加的1 wt.%Nb元素有助于细化LSR组织并产生显著的固溶强化效果有关。（5）LSR处理能显著改变Zr-4和N36合金表面织构,形成较为理想的随机织构材料,有利于锆合金磨损性能的提升。