【摘 要】
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Fe-Al-Cr合金由于在合金表面形成能够自我更新生长的氧化物薄膜、它的自清洁能力带来的良好的高温抗氧化性以及良好的抗中子辐照性能,而成为各种核反应堆系统热门的候选材料。但是Fe-Al-Cr合金目前面临晶粒粗大等问题阻碍了合金的规模使用,通常Fe-Al-Cr合金晶粒直径在500μm以上。本课题基于计算材料学,固体物理,金属学研究了合金晶粒粗化的机制以及抑制方法,并探索了合金的机械性能以及热处理对机
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Fe-Al-Cr合金由于在合金表面形成能够自我更新生长的氧化物薄膜、它的自清洁能力带来的良好的高温抗氧化性以及良好的抗中子辐照性能,而成为各种核反应堆系统热门的候选材料。但是Fe-Al-Cr合金目前面临晶粒粗大等问题阻碍了合金的规模使用,通常Fe-Al-Cr合金晶粒直径在500μm以上。本课题基于计算材料学,固体物理,金属学研究了合金晶粒粗化的机制以及抑制方法,并探索了合金的机械性能以及热处理对机械性能与第二相的影响。借助热动力学分析方法与电子显微镜技术,通过第一性原理计算与实验结合,课题还研究了Fe-Al-Cr合金b表面的氧化行为与表面氧化物的形成机制。论文通过热力学计算发现当Fe-Al-Cr合金中镍含量小于8 wt.%时,合金奥氏体化有利于TCP相的析出,通过Ni、C等元素可以扩大奥氏体相区,Ni/Cr元素当量比约大于0.19的合金出现奥氏体相区,并会有TCP相析出。在此基础上设计并熔炼了九种成分的Fe-Al-Cr合金:Fe-8Al-13Cr-Ni、Fe-12Al-10Cr-C-Ni、Fe-9Al-11Cr-C、Fe-8Al-9Cr-Cu-Nb、Fe-10Al-8Cr-V、Fe-5Al-9Cr-Si、Fe-11Al-11Cr-Ti、Fe-9Al-9Cr-Ti、Fe-5Al-8Cr,研究采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱分析（EDS）以及差示扫描量热法（DSC）分析了样品的晶粒的显微结构与相分布以及合金温变过程中的能量变化。论文还对合金进行了常温下机械性能测试,包括拉伸试验与显微硬度测,通过拉伸实验绘制了合金的应力应变曲线,通过SEM观测了断口微观形貌,通过XRD、SEM、EDS等多种手段探究了在Fe-Al-Cr合金中第二相与合金基体相的位向关系。通等温淬火-固溶-时效一系列热处理制度,课题探索了热处理对合金第二相的影响。课题对合金进行了900摄氏度10小时氧化实验,并利用综合热分析仪绘制了热动力学（TG）曲线,通过SEM、EDS、XRD等分析手段结合基于密度泛函理论的第一性原理（DFT）计算研究了合金氧化行为与氧化物生长机制。通过对合金元素Ni/Cr元素当量比的控制,在Fe-Al-Cr合金中控制高温合金中拓扑密排相（TCP）——Fe Cr（σ）相与Laves相的生成,使其在晶界处富集进而阻碍晶粒的长大,将合金晶粒大小控制在100μm以内;并通过合金的高熵化,制备出FeAlCrNi四元高熵合金,合金晶粒可以控制在5μm以内。研究发现由于在Fe-Al-Cr合金中溶质原子（Al）会沿着溶剂原子（铁素体中Fe和Cr原子）的晶界进行迁动,在温度变化引起的应力作用下,晶体中某些原子化学势被提高,相邻晶体中某些原子化学势被降低,原子从化学势较高的区域流向较低的区域,使原子发生扩散,在化学势差的驱动下跨晶界运输原子。因此,在升温过程中,铝原子的跨晶界扩散导致退缩晶粒表面台阶放出原子进而产生空位,使晶界结构松动,动性增加,晶界增多;相对的,在降温过程中,晶界迁动的发生导致了晶界数量减少,晶粒粗大。大晶粒的Fe-Al-Cr合金铸态下抗拉强度不足10MPa,而Fe-Al-Cr-Ni合金（晶粒直径小于80μm）铸态下的抗拉强度可以达到260MPa,FeAlCrNi高熵合金的抗拉强度可以达到540MPa。但是,TCP相同样会成为合金应力下裂纹传导的通道,使得合金发生沿晶韧性断裂,这是由于第二相Fe Cr（σ）相与Fe2Al Cr存在半共晶格的位向关系。研究通过实验手段与第一性原理计算方法探讨了Fe-Al-Cr合金表面发生的氧化行为:Al2O3优先在晶界处生成;Fe-Al-Cr合金在高温氧化条件下会生成Al2O3/(Al0.9Cr0.1)2O3复合氧化物;这是由于Cr原子在Fe/Al2O3界面层会发生扩散从而导致的。通过实验和第一性原理计算证实了Cr原子会在合金Fe（110）/Al2O3（0001）界面改变Al原子外层电子轨道状态,并发生自发扩散,取代Al原子形成(Al0.9Cr0.1)2O3从而形成Fe/(Al0.9Cr0.1)2O3/Al2O3多层氧化物。
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