摘要：液态金属环境对结构材料高温力学性能的影响是液态金属快堆（LMFBR）和聚变反应堆设计中的关键不确定因素之一。虽然关于结构材料在空气环境中的力学性能的大量信息是可用的，但它们在LMFBR和聚变反应堆中的使用可能会带来独特的长期环境相互作用问题，目前还没有足够的数

液态金属环境对结构材料高温力学性能的影响是液态金属快堆（LMFBR）和聚变反应堆设计中的关键不确定因素之一。虽然关于结构材料在空气环境中的力学性能的大量信息是可用的，但它们在LMFBR和聚变反应堆中的使用可能会带来独特的长期环境相互作用问题，目前还没有足够的数据。

英迪拉·甘地原子研究中心建立了一个独特的专用实验设施，用于在流动的钠中进行蠕变和疲劳试验。采用可拆卸式环境蠕变室进行流动钠蠕变试验。钠内蠕变试验箱示意图如图1所示。一个独特的同轴波纹管系统由初级和次级波纹管组成，用于机械地将蠕变试样与试验室隔离，并且在使用最少数量的波纹管时，在初级波纹管破裂的情况下为泄漏的液态钠提供二级保护。在流动钠条件下成功地进行了多次蠕变断裂试验。在873 K和235 MPa的压力下进行蠕变试验时，传感器检测到主波纹管的故障，导致整个液钠设施自动安全关闭。

本文对波纹管系统进行了失效分析，找出失效的根本原因，以避免今后发生类似事件。

本文将316L奥氏体不锈钢无缝波纹管作为机械和环境隔离器，在动钠作用下进行蠕变试验的蠕变室进行了失效分析。采用TIG焊接工艺，将4组无缝波纹管与支撑环焊接在一起。目测和渗液试验结果表明，失效部位为与支撑环焊接的波纹管褶曲处出现孔洞。由于漏液钠与氩气中残余的氧气和水分发生反应，在失效区出现了严重的材料损失。此外，在故障位置及其周围观察到富铬和富铁氧化物的沉积。显微组织研究表明，焊缝熔合区存在枝晶间孔隙，在波纹管粗热影响区存在敏化晶界，富铬碳化物大量析出。钠通过枝晶间孔隙和微裂纹渗漏可能促进了钠与波纹管的反应。薄壁波纹管带支撑环的焊接方法不当是导致波纹管失效的根本原因。为避免使用过程中波纹管失效，建议采用有利于形成等轴组织、熔合区枝晶组织最少的焊接技术和方法，并在焊接过程中采用适当的冷却安排以避免敏化。

主波纹管为无缝型，次波纹管为焊接型。波纹管按照EJMA规范设计。波纹管由316L奥氏体不锈钢制成。SS 316L无缝波纹管的化学成分如表1所示。采用弹性体成形法制造无缝初级波纹管。为了便于蠕变试验所需的约14毫米轴向膨胀和压缩，将4段无缝波纹管连接在一起，并插入支撑环（图2）。波纹管与支撑环的焊接采用传统的钨惰性气体（TIG）焊接工艺，不使用填充丝。波纹管卷积焊接支撑环边缘制备细节如图3所示。在波纹管表面放置铜槽，以散热焊接过程中产生的热量（图4），以避免薄壁波纹管卷积中不希望发生的微观结构变化。散热器的不对准或不正确的固定必然会破坏波纹管熔合线周围的微观组织，并可能导致制造和使用过程中的加速失效。焊缝符合液体渗透试验要求。最后对波纹管进行保压试验，然后进行速率为1.0 × 10−8 mbar/s的氦气泄漏试验。内无缝波纹管端缘与蠕变室拉杆采用钨极气弧焊法焊接。在腔室中使用的波纹管是一个非常关键的部件，在高温高压下使用时最容易发生故障。

实验顺序：通过机械拆除次级波纹管，打开失效的主波纹管。对波纹管失效区域进行了液体渗透检测。随后，对失效的波纹管进行了一系列的冶金检查。在目视和低倍率（宏观）检查后，使用高倍率的扫描电子显微镜（SEM）检查失效区域。用EDX和SEM对失效区进行了化学分析。对靠近失效位置提取区域的抛光表面进行了光学金相研究。再对焊缝区域的温度应力分布进行了有限元分析，以确定可能的失效原因。

目视检查显示，与支撑环焊接的波纹管区域存在氧化物沉积（图5）。液体渗透测试（LPT）显示，波纹管卷积与支撑环之间的焊缝融合线沿线及附近存在针孔，如图6所示。从LPT检测到的失效区域中提取了用于金相研究的样品。裂纹区域周围的低倍扫描电镜图像显示，波纹管与支撑环卷积的焊缝界面周围存在针孔，如图7(a)和7(b)所示。图7(b)中的嵌入圆圈显示了周围进行了进一步详细的SEM和光学研究的区域。

枝晶结构的存在加上敏化组织是导致波纹管失效的原因。本文尝试用有限元法分析了波纹管与环形支架焊接时，由于铜套的不对中而导致的温度和应力分布的不同。在不锈钢焊接过程中，通常采用铜散热器来散热焊接过程中传递的大量热量。在波纹管与环形支架焊接时，要求铜散热器与波纹管线圈完美接触。然而，怀疑在调查的波纹管焊接过程中，铜水槽可能没有与波纹管正确接触。这可能导致焊接区域的热量异常积聚。

在铜槽与波纹管适当接触和不接触的情况下，进行了温度-位移耦合分析。两种情况下的温度分布如图8所示。在焊接过程中，由于散热片性能不佳，焊接部位温度升高较大。与正常接触时相比，温度升高了约24%。焊接时残存在被焊件上的残余应力对焊接接头的变形也起着重要作用。节点区域的von Mises应力发展如图9所示。焊接区域周围的应力非常高。

总之，我们揭示了在柔性PET衬底上基于碳纳米管的超小型场效应管的可能性。首先，我们报告了通过双重清洗工艺优化PET衬底可以有效地将碳纳米管场效应管的导通性能提高约200%，在相同沟道长度和宽度的条件下，由于改善了接触和沟道质量，超小型柔性碳纳米管场效应管的良率(60%)。

通过对波纹管带支承环焊缝接头的失效分析，找出了失效的原因，得出的结论为:

1.熔合带的广泛孔隙和枝间孔隙可能是导致液钠泄漏的原因。泄漏的钠可能在氩气中残余的氧气和水分存在的情况下与波纹管卷积反应，造成孔洞的形成。

2.波纹管褶积热影响区内敏化组织，可能是焊接时铜散热器使用不当导致温度升高所致。在残余焊接应力和氢氧化钠存在的情况下，敏化热影响区应力腐蚀开裂可能产生微裂纹，促进钠的泄漏。

3.建议采用熔合区气孔少的焊接工艺，并正确使用铜槽，避免敏化。

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来源：凯视迈精密测量