15Cr--ODS铁素体合金微观结构及力学性能的研究

摘要

纳米结构氧化物弥散强化(Nanostructured Oxide Dispersion Strengthened，ODS)铁素体合金具有优异的抗辐照性能和优良的高温强度，被认为是第四代裂变堆燃料包壳的最具应用前景的候选材料。ODS铁素体合金优异的性能主要取决于高密度的纳米析出相，纳米析出相的形成与合金成分和制备工艺密切相关，但其形成机制仍不完全清楚。本文采用机械合金化和热等静压法制备出多种成分15Cr-ODS铁素体合金，系统研究了退火温度（模拟热等静压温度）和合金成分（Ti和Zr）对微观结构和力学性能的影响。主要结论如下: (1)合金粉在机械合金化的过程中，合金粉的粒径先增大后减小，球磨1h时合金粉的平均粒径达到峰值(35.2μm);随着球磨时间的增加，合金粉的粒径不断减小，球磨50h后，合金粉的粒径几乎不再发生变化。合金粉的平均晶粒尺寸不断降低，晶格畸变和硬度逐渐增加，在球磨50h后，合金粉的晶粒尺寸、晶格畸变和硬度基本保持不变。 (2)球磨后合金粉的晶粒发生了剧烈的塑性变形，在机械合金化和900～1100℃退火后的合金粉中存在超细晶和纳米晶，随着退火温度增加，合金粉的平均晶粒尺寸增加，合金粉的硬度随着退火温度升高而降低。在退火过程中析出了高密度的纳米析出相，并且随着退火温度增加，纳米析出相的尺寸增加和密度降低。随着退火温度增加，纳米析出相的成分和结构发生显著变化。在900℃时，纳米析出相为Y-Ti-Zr-O相;在1000℃时，形成一种新型核壳结构纳米析出相，心部为Y-Zr-O相，外面形成富Ti壳;在1100℃及以上温度退火时，富Ti壳消失，纳米析出相为富Y-Zr-O相。核壳结构的形成主要有以下两个方面:一方面，N元素的引入使900～1200℃的退火过程中，合金粉从铁素体（α）单相区向铁素体+奥氏体（α+γ)两相区转变，降低了Ti在基体Fe中的扩散速度;另一方面，Y-Zr-O的键带能要高于Y-Ti-O，在其高温退火过程中，Ti原子的扩散能力加快导致Y-Ti的化学键发生断裂而Y-Zr化学键仍然稳定。 (3)对不含Al的15Cr-ODS合金，Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的依次添加使晶粒尺寸逐渐细化，同时使ODS合金中超细晶(100～500nm)和小角度晶界(2～15℃)的比例逐渐增加。Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的添加显著细化了纳米析出相的尺寸，增加了析出相的密度，其中Ti和Zr共同添加时，纳米析出相的尺寸最小(1.8nm(SAXS))，密度最高(9.2×1023/m3(SAXS));Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的添加对纳米析出相的结构和成分有显著的影响。在无添加的15Y合金中，纳米析出相主要为Y2O3;在加Zr的15YZ合金中，纳米析出相为Y4Zr3O12;在加Ti的15YTi合金中，纳米析出相为Y2Ti2O7;在同时加Ti和Zr的15YTiZr金中，纳米析出相主要为Y4Zr3O12。在四种不含Al的15Cr-ODS合金中存在尺寸在20～300nm富Cr-(Ti)-O的大尺寸析出相，Cr-(Ti)-O的尺寸随着Zr、Ti和Ti-Zr金元素的添加逐渐细化。 (4)对含Al的15Cr-ODS合金，Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的依次添加使晶粒尺寸逐渐细化，同时使合金中超细晶(100～500nm)和小角度晶界(2～15℃)的比例逐渐增加。Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的添加显著细化了纳米析出相的尺寸，增加了其数量密度，其中Ti和Zr的共同添加时，纳米析出相的尺寸最小(3.9nm(SAXS))，密度最高(9.3×1022/m3(SAXS))。Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的添加对纳米析出相的结构和成分有显著的影响。在无添加的15YAl合金中，纳米析出相主要为Y3Al5O12(YAG);在加Zr的15YAlZr合金中，纳米析出相主要为Y4Zr3O12;在加Ti的15YAlTi合金中，纳米析出相主要为YAlO3(YAH);在同时添加Ti和Zr的15YAlTiZr金中，纳米析出相主要为Y4Zr3O12。在四种含Al的15Cr-ODS合金中存在尺寸在20～70nm的富Al-O大尺寸析出相(Al2O3)以及尺寸在11～20nm的核壳结构纳米析出相，其心部为Al2O3，外部为富Y的非晶壳。Al2O3的尺寸随着Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的添加逐渐细化。 (5)Zr、Ti和Ti-Zr合金元素的依次添加会逐渐提高不含Al和含Al的15Cr-ODS合金的抗拉强度、总伸长率和疲劳强度。其中Ti和Zr的共同添加对力学性能改善最显著。相对于无Al的15Cr-ODS合金，Al的添加显著提高了合金的塑性。在不含Al的15Cr-ODS合金中，疲劳裂纹源是ODS合金中富Cr的大尺寸析出相。在含Al的15Cr-ODS合金中，疲劳裂纹源是ODS合金中富Al的大尺寸析出相。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2裂变堆包壳材料研究进展

1．2．1铝合金燃料包壳

1．2．2镁合金燃料包壳

1．2．3锆合金燃斗包壳

1．2．4 SiC／Si复合材料燃料包壳

1．2．5奥氏体不锈钢燃料包壳

1．2．6纳米结构氧化物弥散强化合金(Oxide Dispersion Strengthened Alloys，ODS Alloys)燃料包壳

1．3纳米结构ODS合金的强化机制

1．3．1细晶强化机制

1．3．2固溶强化机制

1．3．3位锚强化机制

1．3．4共格界面强化初制

1．3．5第二相强化(弥散强化)机制

1．4纳米结构ODS合金的粉体制备和成形工艺

1．4．1机械合金化定义

1．4．2合金化影响因素

1．5纳米结构ODS合金粉的热固体化成形工艺

1．5．1粉末热挤压(Hot Powder Extrusion,HPE)

1．5．2放电等离子烧结(Spadk Plasma Sintering,SPS)

1．5．3选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)

1．5．4热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)

1．6纳米结构ODS合金的力学性能

1．6．2 ODS合金的疲劳

1．6．3 ODS合金的拉伸

1．7本文的选题意义及研究内容

第2章实验内容及分析方法

2．1 ODS铁素体合金原料和成分设计

2．2 ODS铁素体合金的制备

2．2．3合金粉的退火

2．3合金微燃与性能分析

2．3．1合金粉的粒度测定

2．3．3合金粉的形貌、元素的分布和成分分析

2．3．4合金粉和热等静压成形样品的维氏硬度测量

2．3．5热等静压样品的致密度测量

2．3．6微观结构分析

2．3．7力学性能与断口观察

第3章退火温度对1 5Cr-ODS合金粉微观结构及力学性能的影响

3．1粉末的机械合金化

3．2退火温度对ODS合金粉微观组织的影响

3．3退火温度对ODS合金粉力学性能的影响

3．4添加Ti和Zr的ODS合金粉在不同退火温度下纳米析出相的形成机制

3．5本章小结

第4章Ti、Zr添加对不含Al的15Cr-ODS合金微观结构及力学性能的影响

4．115Y合计的微观组织

4．1．1晶粒组织

4．1．2析出相

4．2 15YZr合金的微观组织

4．2．2析出相

4．3 15YTi合金的微观组织

4．3．1晶粒组织

4．3．2析出相

4．4 1 5YTiZr合金的微观组织

4．4．1晶粒组织

4．4．2析出相

4．5无Al的15Cr-ODS合金中析出相的SAXS研究

4．6 Ti、Zr的添加对无Al的15Cr-ODS合金的力学性能的影响

4．6．1硬度

4．6．2拉伸与压缩性能

4．6．3疲劳性能

4．7分析与讨论

4．7．1合金元素的添加对晶粒组织的影响

4．7．2合金元素的添加对析出相的影响

4．7．3合金元素的添加对力学性能的影响

4．8本章小结

第5章Ti、Zr添加对含Al的15Cr-ODS合金微观结构及力学性能的影响

5．1．1晶粒组织

5．1．2析出相

5．2 15YAlZr合金的微观组织

5．2．1晶粒组织

5．2．2析出相

5．3 15YAlTi合金的微观组织

5．3．1晶粒组织

5．3．2析出相

5．4 15YAlTiZr合金的微观组织

5．4．1晶粒组织

5．4．2析出相

5．5含Al的15Cr-ODS合金中析出相的SAXS研究

5．6 Ti和Zr的添加对含Al的15Cr-ODS合金的力学性能的影响

5．6．1硬度

5．6．2拉伸与压缩性能

5．6．3疲劳性能

5．7分析与讨论

5．7．1合金元素的添加对晶粒组织的影响

5．7．2合金元素的添加对析出相的影响

5．7．3合金元素的添加对力学性能的影响

5．8本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的成果

作者简介