Достигнут новый прогресс в исследовании структурной стабильности высококремнистой аустенитной стали для реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем

Реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем является важным типом реактора ядерной энергетической системы четвёртого поколения, конструкционные материалы которого должны длительно выдерживать суровые условия эксплуатации, такие как высокая температура, облучение и коррозия в жидком свинце-висмуте. Высококремнистая аустенитная нержавеющая сталь обладает превосходной стойкостью к коррозии в свинце-висмуте и является важным кандидатным конструкционным материалом для корпуса реактора, внутрикорпусных устройств и другого ключевого оборудования реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Однако добавление Si значительно изменяет механизм фазового выделения в процессе высокотемпературной эксплуатации и индуцирует разложение аустенита, влияя на долговременную структурную стабильность материала.

Недавно Отдел специальных сплавов Института металловедения Китайской академии наук совместно с кафедрой машиностроения Гонконгского политехнического университета на основе ранее выявленного поведения Si-индуцированного разложения аустенита в высококремнистой аустенитной стали и обусловленного им механизма деградации механических свойств (Acta Mater., 272 (2024) 119948) путём введения стабилизирующего элемента Nb систематически исследовал регулирующее влияние Nb на поведение разложения аустенита в процессе длительного термического старения при 550 ℃. Исследование показало, что Nb в высококремнистой аустенитной стали проявляет “двойное действие”: с одной стороны, Nb путём преимущественного образования NbC подавляет выделение карбидов M23C6, значительно замедляя разложение аустенита; с другой стороны, сильное взаимодействие между Nb и Si способствует образованию обогащённых (Nb, Si) кластеров и дополнительно индуцирует новый способ разложения аустенита (рис. 1, рис. 2). Исследование далее выявило двухстадийный эволюционный механизм регулирования разложения аустенита ниобием. В процессе среднесрочного термического старения кластеры (Nb, Si) служат благоприятными предшественниками для зарождения карбидов M6C; рост M6C потребляет Ni и C из окружающего аустенита, формируя локальные микрообласти, обеднённые Ni и C, что индуцирует превращение γ→α-феррита. После более длительного термического старения кластеры (Nb, Si) дополнительно способствуют зарождению G-фазы, происходит эвтектоидное превращение γ → G-фаза + α-феррит, пластинчатый совместный рост которого в основном контролируется диффузией Nb в аустените на фронте разложения.

На основе вышеуказанного механизма исследовательская группа дополнительно предложила применение стабилизационной обработки при 900℃, посредством предварительного выделения дисперсно распределённых вторичных карбидов NbC с одновременным снижением содержания твёрдорастворённых Nb и C в аустените, что позволяет синергетически подавить оба типа разложения аустенита, индуцированных карбидами M6C и перераспределением Nb. После стабилизационной обработки материал после длительного термического старения при 550℃ в течение 3000 ч по-прежнему не обнаруживал заметного разложения аустенита (рис. 4). Это предоставляет новое теоретическое обоснование для проектирования состава и регулирования структурной стабильности длительнослужащих высококремнистых аустенитных сталей, стойких к коррозии в свинце-висмуте.

Соответствующие результаты опубликованы под названием “Niobium partitioning-mediated austenite decomposition in a Si-modified austenitic stainless steel during long-term thermal aging at 550 ℃” в журнале Acta Materialia 321 (2026) 122764. Доктор Се Ан является первым автором, исследователи Чэнь Шэнху и Жун Лицзянь — соавторами-корреспондентами. Данное исследование получило финансирование от специального проекта класса А Стратегического приоритетного направления Китайской академии наук, проекта запуска докторантов провинции Ляонин, государственного капитального плана (категория C).

 

Рис. 1 Процесс разложения аустенита, опосредованный перераспределением элемента Nb

Рис. 2 Формирование обогащённых (Nb, Si) кластеров и изменение состава прилегающего аустенита

Рис. 3 Двухстадийный эволюционный механизм регулирования разложения высококремнистого аустенита ниобием

Рис. 4 Стабилизационная обработка дополнительно подавляет разложение аустенита