稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响

杨志豪; 王琳琳; 梁田; 贾洞潇; 马颖澈; 王平

doi:10.20057/j.1003-8620.2024-00026

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响

产品研发 | 更新时间：2025-05-09

- 稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响
- Effect of Rare Earth Gd on Thermal Deformation Behavior of Ni-Cr-Mo Alloys
- 特殊钢 2024年45卷第5期页码：8-18
- 作者机构：
  
  1.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110819
  2.东北大学材料科学与工程学院，沈阳 110819
  3.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，沈阳 110016
  4.中国科学院金属研究所核用材料与安全评价重点实验室，沈阳 110016
- 作者简介：
  
  杨志豪(1998—)，男，硕士； E-mail：18438590010@163.com
  梁田(1983—)，男，博士，副研究员； E-mail：tliang@imr.ac.cn
- 基金信息：
  
  中子屏蔽用功能结构一体化含Gd双相不锈钢组织调控及制备技术(CNNC-LCKY-202279)
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2024-00026
  中图分类号： TG33
- 收稿：2024-02-01，
  
  纸质出版：2024-09-30
- 稿件说明：
移动端阅览
杨志豪,王琳琳,梁田等.稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响[J].特殊钢,2024,45(05):8-18.

Yang Zhihao,Wang Linlin,Liang Tian,et al.Effect of Rare Earth Gd on Thermal Deformation Behavior of Ni-Cr-Mo Alloys[J].Special Steel,2024,45(05):8-18.
杨志豪,王琳琳,梁田等.稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响[J].特殊钢,2024,45(05):8-18. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00026.

Yang Zhihao,Wang Linlin,Liang Tian,et al.Effect of Rare Earth Gd on Thermal Deformation Behavior of Ni-Cr-Mo Alloys[J].Special Steel,2024,45(05):8-18. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00026.

摘要

含Gd镍铬钼合金作为乏燃料贮运用中子屏蔽材料具有广阔的应用前景，却在热加工时极易发生开裂，为了优化合金热变形工艺参数，本文以Ni-Cr-Mo合金为研究对象，研究了Gd加入后引起的组织变化。在变形温度为1 000～1 200 ℃、应变速率为0.01～5 s

-1

条件下进行等温热压缩实验，计算合金相关材料常数及热变形激活能，构建热加工图并确定热加工窗口，结合微观组织进行分析，研究Gd对合金热变形行为的影响。结果表明，Ni-Cr-Mo合金中加入了1.2%的Gd，合金的变形激活能从472.15 kJ/mol降至422.9 kJ/mol，在热变形时合金的能量消耗效率更高，组织演变更充分，塑性失稳区域由高温向低温逐渐转移，并且增大了合金在1 000～1 060 ℃，0.01～0.32 s

-1

低温低应变速率下安全区的面积。合金最佳热加工区间为：0.5真应变量，温度（T）为1 113～1 164 ℃，应变速率（

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=64593553&type=

2.28600001

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=64593554&type=

1.69333339

）为0.01～0.2 s

-1

。Gd在晶界或枝晶间以金属间化合物GdNi

析出，GdNi

相作为硬脆相，在热变形过程中其周围产生较大应变，导致组织中畸变能更高，从而促进周围变形晶粒发生再结晶，降低组织中的残余应变。

Abstract

As a neutron shielding material for spent fuel storage， Ni-Cr-Mo-Gd alloy has broad application prospects， but it is prone to cracking during thermal working. In order to optimize the hot deformation process parameters of the alloy，this paper focuses on the study of Ni-Cr-Mo alloy， investigating the microstructural changes induced by the addition of Gd. Isothermal hot compression experiments were c

onducted at deformation temperatures of 1 000 ℃-1 200 ℃ and strain rates of 0.01 s

-1

-5 s

-1

to calculate the relevant material constants and the activation energy for thermal deformation. Thermal working map was established to determine thermal deformation window， while the influence of Gd element on the thermal deformation behavior of the alloy was analyzed in conjunction with the microstructure. The results indicate that the addition of 1.2% Gd to the Ni-Cr-Mo alloy reduces the deformation activation energy from 472.15 kJ/mol to 422.9 kJ/mol. This results in higher energy consumption efficiency during thermal deformation and more comprehensive microstructure evolution. The plastic instability zone gradually shifts from high to low temperatures， expanding the safe deformation zone of the alloy at low temperatures of 1 000 ℃-1 060 ℃ and low strain rates of 0.01 s

-1

-0.32 s

-1

. Optimal thermal deformation zone for alloy is determined to be a true strain of 0.5 at temperatures of 1 113 ℃-1 164 ℃ and strain rates of 0.01 s

-1

-0.2 s

-1

. Gd precipitates as the intermetallic compound GdNi

at grain boundaries or dendrite interfaces. The presence of GdNi

， as a hard brittle phase， leads to significant strain accumulation during the thermal deformation process， resulting in higher stored energy in the microstructure， thereby promoting recrystallization of the surrounding deformed grains and reducing the residual strain in the microstructure.

关键词

Keywords

references

李　越，肖德涛，刘新华，等 . 我国乏燃料运输现状探讨［J］. 辐射防护， 2016 ， 36 （ 1 ）： 31 - 39+46 .

Doan T C ， Majety S ， Grenadier S ， et al . Fabrication and characterization of solid-state thermal neutron detectors based on hexagonal boron nitride epilayers ［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators， Spectrometers， Detectors and Associated Equipment ， 2014 ， 748 ： 84 - 90 .

Li Y W ， Wang Z J ， Fu D G ， et al . Fabrication of high borated austenitic stainless steel thick plates with enhanced ductility and toughness using a hot-roll-bonding method ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2021 ， 799 ： 140212 .

尹素花，董中奇，彭可武，等 . B 4 C-Al复合材料制备过程的化学反应［J］. 粉末冶金工业， 2022 ， 32 （ 6 ）： 95 - 99 .

Jia L ， Li S F ， Imai H ， et al . Size effect of B 4 C powders on metallurgical reaction and resulting tensile properties of Ti matrix composites by in situ reaction from Ti–B 4 C system under a relatively low temperature ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2014 ， 614 ： 129 - 135 .

Oñoro J ， Salvador M D ， Cambronero L E G . High-temperature mechanical properties of aluminium alloys reinforced with boron carbide particles ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2009 ， 499 （ 1-2 ）： 421 - 426 .

Litwa P ， Kurpaska Ł ， Varin R A ， et al . The effect of He + irradiation on hardness and elastic modulus of Fe-Cr–40wt.% TiB 2 composite rod designed for neutron absorbing ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 711 ： 111 - 120 .

Gang L I ， Min J ， Meiling W ， et al . Research Progress in Neutron Absorbers Materials for Reactor Spent Fuel Storage and Transportation Applications ［J］. Materials Review ， 2011 ， 25 （ 7 ）： 110 - 113 .

Fu H G ， Li Z H ， Jiang Z Q ， et al . Solidification structure in a cast B-bearing stainless steel ［J］. Materials Letters ， 2007 ， 61 （ 23-24 ）： 4504 - 4507 .

杨家嵩 . B 4 C增强铝基复合材料制备及在中子吸收领域的应用［D］. 西安：西安工业大学， 2023 .

巩鹏飞，陈洪胜，王文先，等 . 轧制态B 4 C铝基中子吸收板微观组织演变与力学性能［J］. 核技术， 2022 ， 45 （ 7 ）： 75 - 82 .

Motte V ， Gosset D ， Sauvage T ， et al . Helium apparent diffusion coefficient and trapping mechanisms in implanted B 4 C boron carbide ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2019 ， 517 ： 165 - 174 .

He X ， Sippel T ， Ahn T . Corrosion of Borated Stainless Steel In Water and Humid Air ［J］. NACE - International Corrosion Conference Series ， 2012 ， 1 ： 761 - 783 .

石向东，董广成，张旭明，等 . 利用中子吸收材料进行乏燃料贮存的研究进展［J］. 辽宁工业大学学报（自然科学版）， 2020 ， 40 （ 6 ）： 376 - 380 .

陈洪胜，王文先，聂慧慧，等 . 核屏蔽用中子吸收材料研究现状与展望［J］. 稀有金属材料与工程， 2020 ， 49 （ 12 ）： 4358 - 4364 .

King J C ， El-Genk M S . Submersion criticality safety of fast spectrum space reactors： Potential spectral shift absorbers ［J］. Nuclear Engineering and Design ， 2005 ， 236 （ 3 ）： 238 - 254 .

Lee S W ， Ahn J H ， Moon B M ， et al . Preliminary study on Fe Gd alloys as binary alloys and master alloys for potential spent nuclear fuel （SNF） application ［J］. Materials & Design ， 2020 ， 194 ： 108906 .

Dumazert J ， Coulon R ， Lecomte Q ， et al . Gadolinium for neutron detection in current nuclear instrumentation research： A review ［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators， Spectrometers， Detectors and Associated Equipment ， 2018 ， 882 ： 53 - 68 .

Hagiwara K ， Yano T ， Tanaka T ， et al . Gamma-ray spectrum from thermal neutron capture on gadolinium-157 ［J］. Progress of Theoretical and Experimental Physics ， 2019 ， 2019 （ 2 ）： 023D01 .

Choi Y ， Moon B M ， Sohn D S . Fabrication of gd containing duplex stainless steel sheet for neutron absorbing structural materials ［J］. Nuclear Engineering and Technology ， 2013 ， 45 （ 5 ）： 689 - 694 .

Yang X ， Song L ， Chang B ， et al . Development of Gd-Si-O dispersed 316L stainless steel for improving neutron shielding performance ［J］. Nuclear Materials and Energy ， 2020 ， 23 ： 100739 .

Pan J ， Wang Z X ， Mei Q L ， et al . Control mechanism of gadolinium-rich precipitates in new nuclear shielding FeCrNi alloys ［J］. Scripta Materialia ， 2023 ， 234 ： 115575 .

J N Du P O N T ， Robino C V ， Michael J R . Physical and welding metallurgy of Gd-enriched austenitic alloys for spent nuclear fuel applications-part ll： Nickel-based alloys ［J］. Welding Journal ， 2004 ， 83 （ 12 ）： 319 -（3S）.

赵　勇，刘云明，谷明非，等 . 毒物不锈钢屏蔽材料中第二相的析出行为［J］. 金属热处理， 2020 ， 45 （ 5 ）： 34 - 39 .

谷明非，黄大贵，赵　勇，等 . Gd含量对06Cr 19 Ni10不锈钢热中子屏蔽性能及微观组织的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2022 ， 51 （ 12 ）： 4726 - 4732 .

Robino C V ， Michael J R ， DuPont J N ， et al . Development of Gd-enriched alloys for spent nuclear fuel applications： Part 1： Preliminary characterization of small scale Gd-enriched stainless steels ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2003 ， 12 （ 2 ）： 206 - 214 .

Ning Y ， Wang T ， Fu M ， et al . Competition between work-hardening effect and dynamic-softening behavior for processing as-cast GH4720Li superalloys with original dendrite microstructure during moderate-speed hot compression ［J］. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing ， 2015 ， 642 ： 187 - 193 .

武昭妤 . 新型富Gd镍基合金的微观组织及性能研究［D］. 上海：上海大学， 2019 .

Lin Y C ， Wen D X ， Deng J ， et al . Constitutive models for high-temperature flow behaviors of a Ni-based superalloy ［J］. Materials & Design ， 2014 ， 59 ： 115 - 123 .

Sellars C M ， McTegart W J . On the mechanism of hot deformation ［J］. Acta Metallurgica ， 1966 ， 14 （ 9 ）： 1136 - 1138 .

苏娟华，孙　浩，任凤章，等 . TA10钛合金热加工图的建立及分析［J］. 中国有色金属学报， 2018 ， 28 （ 1 ）： 78 - 86 .

Patnamsetty M ， Somani M C ， Ghosh S ， et al . Processing map for controlling microstructure and unraveling various deformation mechanisms during hot working of CoCrFeMnNi high entropy alloy ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2020 ， 793 ： 139840 .

王敬丰，谢飞舟，刘世杰，等 . 均匀化态Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金热变形行为及加工图［J］. 稀有金属材料与工程， 2018 ， 47 （ 6 ）： 1700 - 1707 .

李　莎，赵振铎，王贵平 . N08800铁镍基合金热变形行为及组织演变［J］. 特殊钢， 2021 ， 42 （ 5 ）： 16 - 20 .

杜丽萍，龚志华，赵吉庆，等 . 9Cr 3 W 3 Co叶片钢的热变形行为研究［J］. 特殊钢， 2023 ， 44 （ 5 ）： 90 - 96 .

刘　泳，赵海涛，陈红卫，等 . DIN 1.2738塑料模具钢热变形及热加工图分析［J］. 特殊钢， 2020 ， 41 （ 1 ）： 16 - 20 .

Wang Z J ， Li Y W ， Wang G D ， et al . Effects of boron content on the microstructure and mechanical properties of twin-roll strip casting borated steel sheets ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2020 ， 793 ： 139847 .

李永旺，刘光军，王昭杰，等 . 高硼不锈钢板的组织演化及制备工艺研究［J］. 钢铁研究学报， 2019 ， 31 （ 2 ）： 207 - 212 .

Won C H ， Jang J H ， Kim S D ， et al . Effect of annealing on mechanical properties and microstructure evolution of borated stainless steels ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2019 ， 515 ： 206 - 214 .

浏览量

下载量

CSCD

CNKI被引量

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

变形参数对GH500高温合金热变形行为的影响

BTW1钢连铸板坯高温热塑性行为分析

高温形变参数对4J32超因瓦合金组织演变的影响

9Cr3W3Co叶片钢的热变形行为研究

变形量及碳含量对超低碳贝氏体钢动态再结晶的影响