Al含量对15Cr ODS钢热时效硬化机理的影响

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含Al高Cr氧化物弥散强化(FeCrAl–ODS)钢具有优异的抗腐蚀性能和高温强度、良好的抗氧化性能和抗蠕变辐照性能,且与核燃料具有良好的相容性,被认为是最有希望应用于轻水堆事故容错燃料(ATF)包壳和第四代核反应堆包壳材料之一。然而,当Cr含量高于12wt.%时,FeCrAl–ODS钢在高温环境下长期使用中会发生α(富Fe相)–α’(富Cr相)相分离和其它的特定的析出行为,从而发生时效硬化和脆化。因此本论文研究了Al含量对15Cr ODS钢热时效硬化机理的影响,在纳米尺度下使用APT技术对在475℃等温时效300h的15Cr和15Cr–7Al ODS钢以及475℃等温时效9000h的15Cr、15Cr–5Al、15Cr–7Al和15Cr–9Al ODS钢中的纳米析出物进行了表征。在位错模型的基础上,根据α’相和β’相的弥散形貌对ODS钢的屈服强度增加量进行了理论计算,与相应的实际值较为吻合,表明时效硬化量与APT所表征的纳米结构的演化密切相关。本论文的主要研究成果为:
  ①15Cr ODS钢在475℃等温时效300h后发生了α–α’相分离,15Cr–7Al ODS钢在475℃等温时效300h后并没有发生相分离,说明向15Cr ODS钢加入7wt.%的Al足以抑制其在早期热时效中的相分离行为。根据理论计算,15Cr ODS钢的时效硬化归因于α–α’相分离,15Cr–7Al ODS钢中产生的富(Ti,Al)β’相是其发生时效硬化的主要原因。
  ②15Cr和15Cr–5Al ODS钢在475℃等温时效9000h后发现了富Crα’相,而15Cr–7Al和15Cr–9Al ODS钢在等温时效过程中并没有形成富Crα’相,说明15Cr ODS钢中的Al含量≥7wt.%时能够完全抑制长期热时效后的ODS钢的Fe–Cr相分离行为。三种含Al ODS钢中均形成了富(Ti,Al)β’相,在15Cr–7Al和15Cr–9Al ODS钢中Al含量的增加增强了β’相的形核驱动力,从而在ODS钢中形成β’相。
  ③15Cr和15Cr–5Al ODS钢在475℃等温时效9000h后形成了复合氧化物核和富Cr壳组成的核–壳结构,而在15Cr–7Al和15Cr–9Al中并不存在这一现象,等温时效后的15Cr和15Cr–5Al ODS钢中具有核–壳结构的纳米粒子的形成与α–α’相分离密切相关。
  ④根据理论计算,未添加Al的15Cr ODS钢的时效硬化归因于α–α’相分离,时效硬化最显著的15Cr–5Al ODS钢的时效硬化则是由α–α’相分离以及β’相沉淀析出所致。15Cr–7Al和15Cr–9Al ODS钢的时效硬化则都归因于β’相的析出。随着15Cr ODS钢中Al的含量从5wt.%增加到9wt.%,β’相强化对时效硬化的贡献变得更大。
  ⑤在位错模型的基础上,提出了15Cr ODS钢的热时效硬化机理,即时效硬化量与使用APT表征的纳米结构演化密切相关,其中α’相和β’相的强化机制分别为剪切机制和Orowan绕过机制。
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