17-4PH不锈钢阀杆热老化微结构小角中子散射研究

To understand the thermal aging effect of the 17-4PH stainless steel valve stem served at nuclear power plant at about 300 degrees Celsius, we propose to investigate the structure of the steel by mainly using small angle neutron scattering(SANS) technique. We will first make different kinds of samples aged at different temperatures for different time periods from the valve stems at nuclear power plant. Then the structure of the samples will be investigated by using SANS together with atomic probe tomography(APT), transmission electron microscope(TEM) and X-ray diffraction(XRD). Key parameters, including the components, size distribution and number density of the nano-scale precipitates in the sample will be deduced. The mechanical property of the samples will also be tested. Finally, by analyzing these experimental results and conducting related computer simulation, a deeper understanding of the mechanism of the thermal aging effect on the 17-4PH stainless steel valve stem is expected. The results may also provide helpful instruction on improving the performance of the 17-4PH stainless steel.

本课题针对核电站使用的17-4PH不锈钢阀杆在反应堆中温(300度左右)环境条件下随服役延长会发生热老化脆化问题，利用核电站提供的极具研究价值的各种17-4PH不锈钢阀杆(服役年限不同)，制备出系列具有不同服役条件（服役年限和服役位置）的实验样品，通过小角中子散射实验分析手段，辅以三维原子探针、电镜、X射线衍射等其他微观测试技术，开展较为全面系统的微观结构分析，综合得出各样品纳米析出物类型、尺寸分布及数密度等信息。同时开展冲击试验等实验，获得宏观力学性能数据。最后，结合微观结构实验数据以及宏观力学性能数据并辅以相应的模型模拟计算分析，探索17-4PH不锈钢阀杆热时效老化机制，进而为监测、评估以及改进材料服役性能提供实验数据和理论指导。

针对我国某核电站使用的17-4PH不锈钢阀杆在300摄氏度左右环境条件下长期服役后的热老化脆化问题，开展了系列小角中子散射（SANS）实验、原子探针（APT）、电镜、冲击功实验和理论模拟等研究工作。本项目充分发挥小角中子散射技术用于研究合金材料具有其技术优势，包括穿透力强、体现块体统计性、可覆盖较宽尺寸范围、无损检测等。通过小角中子散射实验和原子探针等多手段结合，细致分析材料内部纳米尺度微观结构变化，探索微观结构与宏观力学性能的关联关系。结果表明17-4PH马氏体不锈钢阀杆在核电站十几年的长期服役中，材料内部会有富铜纳米相析出和长大，而这跟材料的硬化脆化存在关联关系。材料内部存在尺寸较大（直径分布在约10nm附近）的析出物团簇，也存在大量尺寸较小（直径分布在约1nm附近）的析出物团簇。在长期使用过程中，大尺寸的纳米沉淀物不断长大，小尺寸的沉淀物不断析出。纳米团簇是由Ni、Mn等元素与富铜团簇从基体分离形成的，主要以Cu核和Ni-Mn壳的形式存在。Cu-Ni-Mn团簇更容易在富Cr区附近形核和长大，影响17-4PH马氏体不锈钢热时效后的硬化和脆化。服役温度对材料内部纳米析出物具有显著影响。一根阀杆在长期服役后，其较高温服役端内部小尺寸纳米析出物的相对体积百分含量明显高于低温端，然而却未观测到其平均尺寸的明显差异。服役时间越长的阀杆，其中小尺寸纳米析出物的百分含量越高。这说明服役过程中小尺寸富铜团簇随着服役时间增长不断析出。大尺寸的析出物则随着时间逐渐长大。冲击实验结果表明，阀杆高温服役端热老化程度显著高于低温端，且服役时间越长老化程度也越明显。这些结果说明材料热老化脆化与其内部纳米相结构变化成正关联，意味着材料热老化脆化的微观结构本质可能主要是其内部纳米相的析出及长大。本研究为理解阀杆不锈钢脆化老化规律机制提供了新的重要实验数据，促进了小角中子散射技术在核材料研究中的应用。