脉冲电流快速修复17-4PH不锈钢的热老化脆化行为研究
作者单位：北京科技大学冶金与生态工程学院 内蒙古科技大学轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室稀土产业学院
会议名称：《第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙》
会议日期：1000年
学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）]
摘 要：17-4PH沉淀硬化马氏体不锈钢具有优异的综合机械性能和耐腐蚀性,可作为核电站轻水反应堆的主蒸汽隔离阀(MSIV)。在核电站服役温度下,由于17-4PH不锈钢的化学成分位于混溶间隙内,此时Cr元素发生上坡扩散,形成调幅分解组织。17-4PH不锈钢富含Ni、Mn、Si等元素,G相(Ni16Mn6Si7)会在调幅分解的相界面形核、长大。这些与基体不共格的相会导致17-4PH不锈钢发生严重的热老化脆化行为,严重危害核反应堆的安全运行。由于17-4PH不锈钢添加了大量合金元素,基体内还存在碳化物、富铜析出相和逆转变奥氏体等组织。这些组织对17-4PH的热老化脆化贡献还有待进一步确定。此外,传统退火处理可以实现17-4PH钢的组织和性能修复,但是长时间的修复处理工序大幅提升了核电站的运行成本。因此,寻求一种高效、便捷的修复技术至关重要。脉冲电流作为一种绿色,高效的处理技术,其引起的非热效应(原子与电子之间的相互作用)不仅仅会改变热力学平衡,降低相变温度;还可以加速原子扩散,增强反应动力学。本项目采用透射电子显微镜和三维原子探针层析成像技术研究了17-4PH不锈钢的热老化脆化机制及在脉冲电流作用下的修复行为。在673K下,对17-4PH不锈钢进行5000h的热时效,大量的调幅分解和G相形成;此时17-4PH不锈钢的冲击功从17J下降至0.5J,硬度从366Hv提升至466Hv,材料发生严重的热老化脆化。通过三维原子探针的实验数据计算出调幅分解的硬度贡献为94.4Hv,而富铜析出相和逆转变奥氏体在673K热老化过程中几乎不发生变化。即调幅分解是导致17-4PH不锈钢发生热老化脆化的主要原因。随后对热老化的17-4PH不锈钢进行了733K/60min的脉冲电流作用下,硬度和冲击功完全恢复到原始状态,而相同温度的热处理则不能恢复这些性能。这是因为脉冲电流处理改变了体系的热力学平衡,降低了调幅分解和G相溶解的热力学壁垒。随后,我们探究了不同温度和不同时间下,脉冲电流处理对热老化17-4PH不锈钢的影响。显然,更高的温度和时间有利于热老化17-4PH钢的性能修复。依托这些实验数据,采用Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami模型计算了脉冲电流处理对调幅分解溶解动力学的影响。结果表明,脉冲电流处理可以显著提升Cr元素扩散的指前因子,加速调幅分解的溶解。这一过程最终促进了17-4PH不锈钢性能的快速再生。