高铬铁素体耐热钢中氧化物弥散强化相形成机制

摘要

氧化物弥散强化(Oxide-Dispersion-Strengthened,ODS)钢因其具有优异的抗辐照性能、良好的高温蠕变性能和高温抗拉强度而被认为是未来核能系统最佳备选结构材料。该新型材料的强化思路是在基体中引入弥散分布的纳米级氧化物粒子,从而在本质上获得优异高温性能的材料,而这些氧化物粒子是通过新的工艺如机械合金化和后续的热压烧结获得的。
　　本文系统研究了ODS钢的合成、机制和相变行为,探索了纳米级氧化物颗粒的形成机制与过程,阐明了ODS钢合成过程中的组织演化行为,成功利用机械球磨和热压烧结获得了MgAl2O4型Fe-Cr ODS钢,实现低温烧结形成MgAl2O4粒子,在JMAK模型基础上澄清了ODS钢的奥氏体相变行为,并以Fe3Al作为Al载体添加Al组元合成Fe-Cr-W-Ti-Y-Al系ODS合金。本工作从理论上和实验方面为ODS钢的开发与应用提供了有力依据。
　　研究了Y2O3尺寸和结构在机械球磨和后续退火过程中的演化行为。研究表明:在机械球磨过程中,混合粉末的颗粒尺寸和晶粒尺寸随着球磨时间的延长而减小。但随着球磨时间的进一步延长,球磨造成的冷焊和破碎作用达到平衡,混合粉末的颗粒尺寸和晶粒尺寸不再减小。机械球磨过程中,Y2O3晶体逐渐被破碎并形成了不规则外形的纳米晶,在随后的退火过程中,Y2O3纳米晶发生长大且其外形趋近球形。其变化过程为:完整晶体→不完整晶体(长程有序结构破坏)→细小晶粒(纳米晶)。
　　研究了纳米级Ti-Y复合氧化物颗粒的形成过程和机制。研究表明:纳米级Ti-Y复合氧化物主要以三种形式存在:(a)完全结晶型,该类型粒子的晶体结构与标准物质相同;(b)部分结晶型,该类型粒子并未完全结晶,其边缘存在一定区域的非晶相;(c)非晶分布于粒子内部型,该类型粒子内部分布着少量非晶区域。Ti-Y复合氧化物的这三种存在形式为探索其形成机理与过程提供了有力证据。在机械球磨过程中,Y2O3纳米晶和非晶相与基体元素(M:Fe，Cr，Ti)的混合相在强烈塑性变形作用下形成,即（分子式略）。在随后的热压烧结过程中,Y2O3纳米晶和Ti组元的反应以及自身不稳定的[YMO] amorphous非晶相的晶化行为形成了纳米级 Ti-Y复合氧化物颗粒,即:（分子式略）。
　　研究了ODS钢机械球磨和热压烧结过程中的组织形貌演化行为。Fe-Cr-Y系和Fe-Cr-Ti-Y系ODS钢基本组织为微米级等轴铁素体和分布于晶粒中的纳米级氧化物颗粒。两种钢的基体中存在一些未强化区域即无粒子分布区域,这种现象表明,尽管强化相粒子尺寸达到纳米级,但是仍然存在分布不均一的问题。门槛应力值的计算结果(最大值为360 Mpa)表明细小和密集分布的粒子有利于提高材料强度。不同的区域对应着不同的门槛应力值,这是由于各个区域的纳米级氧化物粒子的尺寸和分布均一性造成的,这可能是门槛应力值不能通过蠕变测试结果获得的原因。
　　成功利用机械球磨和热压烧结获得了MgAl2O4型Fe-Cr ODS钢,实现低温烧结形成MgAl2O4粒子。研究表明:在机械球磨过程中,强烈的塑性变形没有导致MgO、Al2O3发生分解,Mg原子和O原子之间以及Al原子和O原子之间的结合并未被强烈的塑性变形破坏,并且 Mg、Al和O原子未溶入Fe-Cr体系。氧化物本身尺寸的减小导致的表面能增大和因Fe晶粒尺寸减小、晶界面积增加导致的晶界能增大是氧化物向非晶转变的驱动力。在后续烧结过程中非晶晶化形成了MgAl2O4粒子。MgAl2O4强化相粒子形成温度为1173K,该温度远低于传统烧结温度(1873K),即实现低温烧结合成MgAl2O4。
　　利用改进了的JMAK模型研究了ODS钢的奥氏体相变行为。基于拟合结果认为,在相同加热速率下,三种材料的奥氏体晶粒生长激活能值几乎没有差别,而Fe-9Cr-0.2Ti-0.3Y2O3奥氏体晶粒生长时界面迁移速率相比 Fe-9Cr-0.3Y2O3和Fe-9Cr较小。这主要是由加热过程中奥氏体晶粒生长受到分布于基体中的粒子阻碍作用造成的。纳米级氧化物粒子通过钉扎阻力阻碍了作为新相的奥氏体界面向母相铁素体的推移,利用Zener公式定量地计算了钉扎阻力,计算结果表明:对于Fe-9Cr合金,基体中不存在纳米级氧化物颗粒,奥氏体界面的推进速度较快,奥氏体化过程在较窄的温度范围内完成。而对于 Fe-9Cr-0.3Y2O3和Fe-9Cr-0.2Ti-0.3Y2O3 ODS钢来说,基体中存在着纳米级氧化物颗粒,它们阻碍着奥氏体界面向铁素体界面的推进,钉扎阻力分别为P=0.78 MJ/m3，Ppin-Y2TiO7=3.0 MJ/m3,这与动力学拟合结果中指前因子V0的减小是相符合的。
　　在 Fe-Cr-W-Ti-Y的基础上,以 Fe3Al作为Al载体添加Al组元合成Fe-Cr-W-Ti-Y-Al系ODS合金。研究表明:在热压烧结过程中,Al组元从基体中析出与Y2O3发生反应生成了Y-Al-O复合氧化物。Al组元与Ti组元存在竞争关系,在复合氧化物形成过程中,Al组元取代了Ti组元与Y2O3发生反应,这主要是由于Al组元相比Ti组元有较高的氧亲和力,因而Al组元更容易与Y2O3发生反应。屈服强度计算结果表明计算值和实验值是比较吻合的,并且主要是在=a5.0和a时的取值是接近的,良好的屈服强度主要源于细晶强化和弥散强化。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2核反应堆用结构材料的目标与挑战

1.3未来核能系统最佳备选材料—ODS钢

1.4本论文研究思路和主要研究内容

第二章 氧化钇粒子机械球磨和后续退火过程中的演化行为

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 Fe-Cr系 ODS钢中纳米级氧化物的形成机制探讨

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 Fe-Cr系ODS钢合成过程中组织形貌演化行为及门槛应力值计算

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 MgAl2O4型Fe-Cr ODS钢合成过程中非晶相形成机理和强化相的形成

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 Fe-Cr系ODS钢铁素体向奥氏体转变动力学分析

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章小结

第七章 以作为Al载体的Fe3Al为添加物合成Y-Al-O复合氧化物粒子强化型ODS合金

7.1 引言

7.2实验部分

7.3结果与讨论

7.4本章小结

第八章 结论及主要创新点

8.1全文结论

8.2本论文创新点

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢