基于團簇結構模型的Fe-Cr-Al系合金成分設計及其高溫組織穩(wěn)定性研究.pdf

1、Fe-Cr-Al系鐵素體不銹鋼具有比 Zr合金更加優(yōu)異的高溫抗氧化性、耐蝕性及高溫力學性能等優(yōu)點，從而有望成為下一代事故容錯燃料(accident-tolerant fuel, ATF)包殼材料。但在高溫下服役時材料的高溫組織穩(wěn)定性對其用作核反應堆耐事故燃料包殼材料至關重要，而合金的組織穩(wěn)定性與微量合金化元素的種類及含量密切相關。本文以“團簇加連接原子”結構模型為指導，首先在研究了 Fe-Cr-Al-M系合金成分特征和微量元素M(M=M

2、o, Nb, Ti, Zr, Ta,等)的添加規(guī)律后，根據團簇模型設計出Fe-Cr-Al-M系列成分合金，之后對所設計系列合金進行了系統(tǒng)的組織結構表征和性能測試，揭示出Fe-Cr-Al-M系列合金化元素的添加對微觀組織穩(wěn)定性的影響和組織隨溫度的演變規(guī)律，以及微觀組織變化對合金力學性能的影響，從而為事故容錯燃料包殼提供了新型鐵素體不銹鋼候選材料。采用真空電弧熔煉制備設計的母合金錠，并對其進行1200℃/2h固溶處理，進而在800℃經多道次

3、熱軋成板，再進行800℃/24h時效處理，最后對時效后的樣品進行不同溫度下的高溫再固溶處理，以研究微量元素添加對合金高溫組織穩(wěn)定性的影響。采用X射線衍射、光學顯微觀察、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和電子探針等手段檢測合金的微觀結構和組織形貌，利用維氏硬度儀、MTS萬能試驗機測試合金的力學性能。
　　研究發(fā)現，經800℃/24h時效處理后，第二相(Laves相)粒子均勻分布于Mo/Nb合金化的鐵素體基體中，而Mo/Nb比例為2:1

4、時，Laves相析出更加均勻且彌散，在此基礎上添加Ti合金化時，Laves相體積分數明顯減少，而Mo/Ti/Zr進行合金化時Laves相分布明顯聚集，且體積分數也明顯減少；在Mo/Nb=2:1的成分基礎上再用Ta進行合金化，Ta微合金化并未改變第二相粒子的大小，1000℃/1h固溶處理使得系列時效合金中的第二相粒子開始發(fā)生回溶，1200℃/1h固溶處理后，Mo/Nb合金化的M1-1合金中的第二相粒子全部溶入到基體中，而 Ta微合金化后仍

5、能使得 M2-1~4合金中的第二相粒子存在于基體晶界處，有效抑制體積晶粒的異常長大，且隨著 Ta含量的增加，形成的Fe2(Mo,Nb,Ta)復合Laves相中Ta的含量也增加；在Mo/Nb=2:1的成分基礎上再用Zr進行合金化，Zr的加入能有效的提高改性合金的組織穩(wěn)定性，在經過1000℃~1200℃高溫回溶后基體晶界上還較多的析出相存在，有效的釘軋了高溫下鐵素體晶粒的長大，但Zr含量過高時，形成的富Zr析出相過于粗大，從而采用Zr進行合