先进核能系统用Fe-Cr-Al ODS钢的热时效行为研究

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Fe-Cr-Al氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthened,ODS)钢具有良好的高温水蒸气相容性,良好的抗蠕变性能和良好的耐辐照性能,是未来先进核能系统用包壳的候选材料之一。但是Fe-Cr-Al ODS钢在高温环境中长时间服役时可能会发生时效硬化和脆化,因为Fe-Cr系统会发生铁素体转变为富Feα相和富Crα’相的相分离行为,这可能是制约此类材料在核反应堆中应用的一个关键因素。为了研究这些Fe-Cr-Al ODS钢的热时效行为,本论文以两种475~oC下时效300h的12Cr ODS钢和五种475~oC下时效9000h的15Cr ODS钢为研究对象,综合利用TEM、EFTEM和APT技术对这些材料热时效后的微观形貌和化学进行表征。分别分析不同ODS钢在早期热时效和长期热时效后的析出相,探索不同成分ODS铁素体钢在早期或长期热时效后发生硬化的原因,并进行硬化机理分析。通过研究不同成分的ODS铁素体钢的热时效行为,来优化ODS铁素体钢的成分设计。为未来先进核能系统中充当结构材料的新型ODS钢的开发设计提供更多的科学依据。本论文的主要研究成果有:(1)12Cr5Al ODS钢和12Cr9Al ODS钢在475~oC下时效300h后未发生Fe-Cr相分离;在两种材料中都产生了富Ti富Al相粒子,这些富Ti富Al相析出物粒子的出现是12Cr5Al ODS钢和12Cr9Al ODS钢在早期热时效后发生明显硬化的原因。(2)15Cr和15Cr5Al ODS钢在475~oC下时效9000h后,材料中发生明显的Fe-Cr相分离,产生数量密度极高的富Crα’相;Cr含量为14.16 wt.%时,4.57 wt.%的Al的添加不足以抑制FeCrAl ODS钢的相分离行为。Fe-Cr相分离是15Cr和15Cr5Al ODS钢长期时效后发生明显硬化的原因。(3)15Cr7Al ODS钢在475~oC下时效9000h后未发生Fe-Cr相分离,没有富Crα′相形成;Cr含量为14.18 wt.%时,6.44 wt.%Al的添加足以抑制FeCrAl ODS钢中α→α+α′的相分离行为;同时材料中产生了大量的细小弥散的富Ti富Al相粒子,是15Cr7Al ODS钢在长期热时效后发生明显硬化的原因。(4)15Cr–7Al–0.4Zr–0.07Ex.O和15Cr–7Al–0.4Zr–0.21Ex.O ODS钢在热时效后,产生了富Cr相,这种富Cr相不是Fe-Cr相分离形成的α’相。同时这种富Cr相粒子与氧化物粒子一起形成一些复合粒子。这些富Cr相的出现是这两种Zr添加ODS钢在热时效后发生硬化的原因。(5)发生Fe-Cr相分离行为的FeCrAl ODS钢,即15Cr和15Cr5Al ODS钢中形成了大量的核壳结构粒子;然而未发生α→α+α′相分离行为的FeCrAl ODS钢,即15Cr7Al ODS钢和两种Zr添加ODS钢中未形成核壳结构粒子;核壳结构的形成与在475~oC经长期热时效发生的相分离过程中的Cr元素扩散行为有关。
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