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储氢合金反应床服役于临氢环境中,氢可能通过吸附、渗透进入材料,通过扩散在金属局部聚集,导致材料性能下降,即发生氢脆。所以储氢合金反应床材料应首先具备良好的抗氢脆性能。其次,储氢合金吸放氢过程会伴随频繁的吸热与放热,有时加热温度很高,所以其反应床材料同时应具备良好的抗高温氧化性能。另外,焊接是储氢合金反应床制造过程中常用的一项工艺,所以反应床材料还应具备良好的焊接性能。 常用的抗氢脆材料有奥氏体不锈钢、沉淀强化奥氏体合金、低合金钢及铝合金等。铝合金虽然具有轻量化的优点,但其强度不如奥氏体钢,而且由于本课题中储氢合金反应床服役的温度最高可达800℃,已超过铝的熔点。所以,选用奥氏体不锈钢作为反应床材料更符合本课题选材原则。 奥氏体不锈钢因具有良好的焊接性、低温韧性和无磁性等性能而广泛运用于航空航天、石油化工等领域,但大多数固溶态奥氏体不绣钢的强度偏低,限制了其在强度要求较高的零部件上的使用。根据选材原则,310型奥氏体不锈钢基本符合反应床所需性能。310型奥氏体不锈钢是一种常用的耐热钢,其在充氢时不会产生氢致马氏体,具有良好的抗氢脆性能。 为了达到储氢合金反应床性能要求,本文在310钢的化学成分基础上,减少C含量和杂质元素P、S的含量,以提高耐晶间腐蚀性能;同时加入N元素,以提高材料的强度;加入Mo元素,提高材料的耐点腐蚀能力;在保证Ni当量的前提下,尽可能提高Cr的含量,以获得优良的高温氧化抗性。 利用热力学相图设计了00Cr25Ni22Mo2N(以下简称2522Mo2N)钢的主要化学成分。采用真空感应冶炼技术和电渣重熔技术制备了三种氮含量的实验材料。通过制定合适的锻造工艺和热处理制度,得到了晶粒大小适宜的单一奥氏体组织。 通过拉伸试验研究了316L、310S和2522Mo2N三种不锈钢的力学性能以及氮含量对钢的强度影响。扫描电镜和能谱分析结果表明,2522Mo2N钢在高温时发生混合型断裂的原因是高温时析出了σ脆性相。 通过高温氧化试验研究了316L、310S和2522Mo2N三种钢的高温氧化动力学,利用扫描电镜、能谱分析以及X射线衍射研究了三种钢在不同温度下生成的氧化膜形貌以及相组成。实验结果表明,2522Mo2N钢在高温下具有完全的抗氧化性是因为其在高温下生成了致密和粘附性好的保护性氧化膜。 通过硝酸-氢氟酸腐蚀试验研究了316L、310S和2522Mo2N三种钢在不同状态下的晶间腐蚀倾向,利用金相显微镜观察了三种钢固溶态和敏化态组织。实验结果表明,Mo元素可以提高钢的耐点腐蚀性能。 通过热充氢试验和拉伸试验研究了2522Mo2N钢的氢脆敏感性,实验结果表明2522Mo2N钢因不会发生氢致马氏体相变而具有良好的抗氢脆性能。 以2522Mo2N为母材,以进口焊丝和自制焊丝为焊接试验用焊丝,采用钨极氩气保护焊进行焊接试验。焊接试验后对不同焊丝焊接接头进行一系列的性能研究,研究结果表明自制焊丝可以替代进口焊丝用于2522Mo2N的焊接。