基于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型的Fe-Cr-Al系合金成分設(shè)計(jì)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(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，從而有望成為下一代事故容錯(cuò)燃料(accident-tolerant fuel, ATF)包殼材料。但在高溫下服役時(shí)材料的高溫組織穩(wěn)定性對(duì)其用作核反應(yīng)堆耐事故燃料包殼材料至關(guān)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(guān)。本文以“團(tuán)簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型為指導(dǎo)，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(jù)團(tuán)簇模型設(shè)計(jì)出Fe-Cr-Al-M系列成分合金，之后對(duì)所設(shè)計(jì)系列合金進(jìn)行了系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試，揭示出Fe-Cr-Al-M系列合金化元素的添加對(duì)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(duì)合金力學(xué)性能的影響，從而為事故容錯(cuò)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(shè)計(jì)的母合金錠，并對(duì)其進(jìn)行1200℃/2h固溶處理，進(jìn)而在800℃經(jīng)多道次

3、熱軋成板，再進(jìn)行800℃/24h時(shí)效處理，最后對(duì)時(shí)效后的樣品進(jìn)行不同溫度下的高溫再固溶處理，以研究微量元素添加對(duì)合金高溫組織穩(wěn)定性的影響。采用X射線衍射、光學(xué)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(cè)合金的微觀結(jié)構(gòu)和組織形貌，利用維氏硬度儀、MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的力學(xué)性能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)800℃/24h時(shí)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(shí)，Laves相析出更加均勻且彌散，在此基礎(chǔ)上添加Ti合金化時(shí)，Laves相體積分?jǐn)?shù)明顯減少，而Mo/Ti/Zr進(jìn)行合金化時(shí)Laves相分布明顯聚集，且體積分?jǐn)?shù)也明顯減少；在Mo/Nb=2:1的成分基礎(chǔ)上再用Ta進(jìn)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(shí)效合金中的第二相粒子開(kāi)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(zhǎng)大，且隨著 Ta含量的增加，形成的Fe2(Mo,Nb,Ta)復(fù)合Laves相中Ta的含量也增加；在Mo/Nb=2:1的成分基礎(chǔ)上再用Zr進(jìn)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(jīng)過(guò)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(zhǎng)大，但Zr含量過(guò)高時(shí)，形成的富Zr析出相過(guò)于粗大，從而采用Zr進(jìn)行合