·1146 北京科技大学学报 第34卷 能满足超临界水冷堆特殊工况(650℃，30MPa)的 Thermo-Calc软件可用于复杂多元合金体系中 使用要求回，因此迫切需要开发用于超临界水冷堆 稳定相的热力学相平衡计算，是研究与开发新型F/ 关键部位的新型合金体系材料. M钢的有力工具m.本文采用Thermo--Calc软件在 合金设计主要集中在含12Cr的合金上，目的是 T℃FE6数据库下计算了实验钢在400~1600℃范围 使其在650℃下仍具有足够的抗氧化性和抗腐蚀 内系统吉布斯自由能最小时的平衡状态下稳定相的 性因.析出强化是9-12Cr钢最主要的强化方式. 质量分数随温度的变化规律，以及各相元素组成 为获得足够的蠕变强度，需提高组织的稳定性，保证 TCFE6数据库中并不包括Ta元素，本文采用以Nb 足够的固溶度和沉淀强化，并防止晶粒粗化，可采用 替代Ta进行热力学计算，Prat等图认为Ta与Nb均 不同的碳化物、氮化物和Laves相形成元素来进行 为MX相形成元素，在热力学计算中用Nb代替Ta 强化.M,Cs和Laves相阻碍亚晶界的运动，而弥 来进行计算与实验结果有很好的一致性.采用 散析出的碳氮化物X相能抑制位错的迁移，延迟 JMatPro软件用Ta元素进行热力学计算也证明了以 晶粒的粗化.因此，如何优化合金成分以获得稳定 Nb替代Ta计算结果的可靠性 的沉淀相来提高蠕变强度是当前的研究热点之 一).针对超临界水冷堆工况要求，在9C系 2实验结果与讨论 RAFM钢的成分基础上，采用增加Cr(质量分数 2.1 Thermo-Calc软件计算预测 11%~12%)和W(质量分数为2%~3%)来提高低 Thermo-Calc软件计算得到的l2Cr3WVTa钢各 活性FM钢的腐蚀性能和高温性能，以W、V等低 平衡相的质量分数随温度变化规律如图1(a)所示. 活性元素以代替Mo、Co和Nb等活性元素，并适当 由该计算相图可知，该实验钢在整个温度范围内无 添加耐蚀元素Si(质量分数0.3%~0.5%)，设计了 全奥氏体相区，高温奥氏体相和δ铁素体相的质量 12C3W低活性FM钢，进一步添加强碳化物形成 分数在1000℃存在一个极值点，在该温度淬火会得 元素V和Ta,同时对可以扩大y相区的C、N和Mn 到马氏体和质量分数为0.46%的δ铁素体 等元素含量进行调整，最终设计并制备出一种V、Ta 图1(b)为第二相析出局部放大图.热力学计算结 微合金化的12Cr3W系RAFM钢.本文主要研究了 果表明，析出相由MX、MaC6、Laves及Z相组成 该合金淬火回火后的显微组织、第二相以及拉伸力 MX相富含Ta元素，析出温度范围为800~1250℃， 学性能 并且MX相的质量分数随温度的降低逐渐升高至 1实验材料及方法 0.3%.富含Cr的MC6相析出温度为980℃，析出 质量分数在800℃以后达到稳定，约为2.8%.Laves 低活性F/M钢12Cr3WVTa实测成分（质量分 相析出温度为700℃，其含量在600℃仍未达到稳 数)为：C0.14%,Cr11.71%,W2.16%,V0.2%, 定状态.平衡计算下820℃还出现了富含Cr、W和 Ta0.09%,N0.033%,Mn1.16%,Si0.5%.实验钢 V的Z相，其质量分数约为0.4%.Klueh等指 采用真空感应熔炼并浇铸成铸锭，加热至1250℃保 温1h使其均匀化后，热轧至20mm厚，终轧温度 出，9-12Cr钢回火后基体中析出相主要为MX及 ≥850℃.对热轧后板材在1250℃下保温2h使其 M2aC6相，Laves相及Z相均在长期时效和蠕变过程 均匀化.实验钢淬火回火的热处理制度为：1050℃ 中才有析出.Thermo一Calc软件计算仅适用于从热 保温0.5h后水冷至室温，随后在780℃回火2h后 力学角度考虑平衡稳定时的相析出过程 空冷.利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透 2.2显微组织 射电镜(TEM)观察淬火回火态合金的显微组织.制 9一12Cr钢常规的热处理方式为正火回火，回火 作透射电镜试样，先将试样加工成0.2~0.3mm厚 过程位错密度降低，同时碳化物会大量析出.正火 的片状，在砂纸上磨薄至0.05mm,再用电解双喷减 回火后9一12Cr钢的典型组织形貌为板条马氏体，由 薄，电解液成分为5%高氯酸+95%乙醇，电流 原奥氏体晶粒、板条束和块组成回.采用1050℃保 20mA.碳化物萃取复型试样先经Vilellas试剂侵蚀 温0.5h后水冷，再在780℃保温2h后空冷热处理 后喷碳，然后在侵蚀液中浸泡2h后进行脱模.薄晶 制度处理后的12Cr3WVTa钢显微组织如图2所示. 样及萃取复型试样均在JE0L2100透射电镜下进行 淬火回火后组织为回火马氏体和体积分数为4.7% 组织观察.淬火回火后试样在室温和600℃下的拉 的δ铁素体的复相组织，其中白色块状为δ铁素体 伸性能测试在MTS809C材料试验机上进行. 相.原奥氏体晶粒平均尺寸为30um,小于其他文献北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 能满足超临界水冷堆特殊工况( 650 ℃，30 MPa) 的 使用要求［4］，因此迫切需要开发用于超临界水冷堆 关键部位的新型合金体系材料． 合金设计主要集中在含 12Cr 的合金上，目的是 使其在 650 ℃ 下仍具有足够的抗氧化性和抗腐蚀 性［5］． 析出强化是 9--12Cr 钢最主要的强化方式． 为获得足够的蠕变强度，需提高组织的稳定性，保证 足够的固溶度和沉淀强化，并防止晶粒粗化，可采用 不同的碳化物、氮化物和 Laves 相形成元素来进行 强化［6］． M23C6和 Laves 相阻碍亚晶界的运动，而弥 散析出的碳氮化物 MX 相能抑制位错的迁移，延迟 晶粒的粗化． 因此，如何优化合金成分以获得稳定 的沉淀相来提高蠕变强度是当前的研究热点之 一［7］． 针对超临界水冷堆工况要求，在 9Cr 系 RAFM 钢的 成 分 基 础 上，采 用 增 加 Cr( 质 量 分 数 11% ～ 12% ) 和 W( 质量分数为2% ～ 3% ) 来提高低 活性 F /M 钢的腐蚀性能和高温性能，以 W、V 等低 活性元素以代替 Mo、Co 和 Nb 等活性元素，并适当 添加耐蚀元素 Si( 质量分数 0. 3% ～ 0. 5% ) ，设计了 12Cr3W 低活性 F /M 钢，进一步添加强碳化物形成 元素 V 和 Ta，同时对可以扩大 γ 相区的 C、N 和 Mn 等元素含量进行调整，最终设计并制备出一种 V、Ta 微合金化的 12Cr3W 系 RAFM 钢． 本文主要研究了 该合金淬火回火后的显微组织、第二相以及拉伸力 学性能． 1 实验材料及方法 低活性 F /M 钢 12Cr3WVTa 实测成分( 质量分 数) 为: C 0. 14% ，Cr 11. 71% ，W 2. 16% ，V 0. 2% ， Ta 0. 09% ，N 0. 033% ，Mn 1. 16% ，Si 0. 5% ． 实验钢 采用真空感应熔炼并浇铸成铸锭，加热至 1 250 ℃保 温 1 h 使其均匀化后，热轧至 20 mm 厚，终轧温度 ≥850 ℃ ． 对热轧后板材在 1 250 ℃ 下保温 2 h 使其 均匀化． 实验钢淬火回火的热处理制度为: 1 050 ℃ 保温 0. 5 h 后水冷至室温，随后在 780 ℃ 回火 2 h 后 空冷． 利用光学显微镜( OM) 、扫描电镜( SEM) 和透 射电镜( TEM) 观察淬火回火态合金的显微组织． 制 作透射电镜试样，先将试样加工成 0. 2 ～ 0. 3 mm 厚 的片状，在砂纸上磨薄至 0. 05 mm，再用电解双喷减 薄，电 解 液 成 分 为 5% 高 氯 酸 + 95% 乙 醇，电 流 20 mA． 碳化物萃取复型试样先经 Vilellas 试剂侵蚀 后喷碳，然后在侵蚀液中浸泡 2 h 后进行脱模． 薄晶 样及萃取复型试样均在 JEOL2100 透射电镜下进行 组织观察． 淬火回火后试样在室温和 600 ℃ 下的拉 伸性能测试在 MTS 809C 材料试验机上进行． Thermo--Calc 软件可用于复杂多元合金体系中 稳定相的热力学相平衡计算，是研究与开发新型 F / M 钢的有力工具［7］． 本文采用 Thermo--Calc 软件在 TCFE6 数据库下计算了实验钢在 400 ～ 1 600 ℃范围 内系统吉布斯自由能最小时的平衡状态下稳定相的 质量分数随温度的变化规律，以及各相元素组成． TCFE6 数据库中并不包括 Ta 元素，本文采用以 Nb 替代 Ta 进行热力学计算，Prat 等［8］认为 Ta 与 Nb 均 为 MX 相形成元素，在热力学计算中用 Nb 代替 Ta 来进行计算与实验结果有很好的一致性． 采 用 JMatPro 软件用 Ta 元素进行热力学计算也证明了以 Nb 替代 Ta 计算结果的可靠性． 2 实验结果与讨论 2. 1 Thermo--Calc 软件计算预测 Thermo--Calc 软件计算得到的 12Cr3WVTa 钢各 平衡相的质量分数随温度变化规律如图 1( a) 所示． 由该计算相图可知，该实验钢在整个温度范围内无 全奥氏体相区，高温奥氏体相和 δ 铁素体相的质量 分数在 1 000 ℃存在一个极值点，在该温度淬火会得 到马氏体和质量分 数 为 0. 46% 的 δ 铁 素 体． 图 1( b) 为第二相析出局部放大图． 热力学计算结 果表明，析出相由 MX、M23 C6、Laves 及 Z 相组成． MX 相富含 Ta 元素，析出温度范围为800 ～ 1250 ℃， 并且 MX 相的质量分数随温度的降低逐渐升高至 0. 3% ． 富含 Cr 的 M23C6相析出温度为 980 ℃，析出 质量分数在 800 ℃以后达到稳定，约为 2. 8% ． Laves 相析出温度为 700 ℃，其含量在 600 ℃ 仍未达到稳 定状态． 平衡计算下 820 ℃ 还出现了富含 Cr、W 和 V 的 Z 相，其质量分数约为 0. 4% ． Klueh 等［5］ 指 出，9--12Cr 钢回火后基体中析出相主要为 MX 及 M23C6相，Laves 相及 Z 相均在长期时效和蠕变过程 中才有析出． Thermo--Calc 软件计算仅适用于从热 力学角度考虑平衡稳定时的相析出过程． 2. 2 显微组织 9--12Cr 钢常规的热处理方式为正火回火，回火 过程位错密度降低，同时碳化物会大量析出． 正火 回火后 9--12Cr 钢的典型组织形貌为板条马氏体，由 原奥氏体晶粒、板条束和块组成［9］． 采用 1 050 ℃ 保 温 0. 5 h 后水冷，再在 780 ℃ 保温 2 h 后空冷热处理 制度处理后的 12Cr3WVTa 钢显微组织如图 2 所示． 淬火回火后组织为回火马氏体和体积分数为 4. 7% 的 δ 铁素体的复相组织，其中白色块状为 δ 铁素体 相． 原奥氏体晶粒平均尺寸为 30 μm，小于其他文献 ·1146·