Ti和Zr添加对ODS铁素体钢纳米氧化物的影响

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ODS铁素体钢由于含有高密度的纳米氧化物颗粒从而拥有卓越的抗辐照性能、抗蠕变性能、抗腐蚀性能、高温强度以及良好的化学稳定性和管理氦的能力,因此最有希望成为第四代裂变堆包壳和未来聚变堆包层的候选结构材料之一。ODS钢合金成分不同所形成的氧化物类型、比例和结构不同,不同物相和晶体结构的纳米氧化物具有不同的性能,对ODS钢中各种纳米氧化物的类型和数量比例进行统计学分析具有重要意义。因此,本文以FeCr-ODS钢(Fe–16Cr–0.1Ti–0.35Y2O3)和FeCrAl-ODS钢(Fe–15Cr–2W–0.1Ti–4Al–0.63Zr–0.35Y2O3)为研究对象,利用高分辨透射电镜(HRTEM)分析了两种钢中的纳米颗粒,通过统计学分析得到了两种钢中各种类型纳米氧化物的数量分数,分别研究了Ti和Zr元素的添加对两种ODS钢中氧化物颗粒成分和占比的影响,再以此分别分析了Ti和Zr元素的添加对抗辐照性、热稳定性和力学性能的影响,主要结论如下:(1)FeCr-ODS钢中约59.5%(数量分数)的小颗粒为Y–Ti–O氧化物,含有0.35wt.%Y2O3的Fe-Cr ODS钢中少量Ti(0.1 wt.%)的添加使得Ti/Y2O3比值较小,促进形成正交和六方晶系的Y2TiO5(45.6%),只形成了少量立方晶系的Y2Ti2O7(2.5%)。还存在少量正交晶系的YTiO3(8.9%)和正交晶系的YTi2O6(2.5%)。另外检测到一些Y–Cr–O复合氧化物,包括四方晶系的YCrO4(7.6%)和正交晶系的YCrO3(5.1%)。还发现了一些简单的氧化物,如单斜或正交晶系的TiO2(17.7%)和单斜或立方晶系的Y2O3(10.1%)。其中正交晶系的YTi2O6和四方晶系的YCrO4氧化物在Fe–Cr–Ti–Y2O3钢中是首次发现。FeCr-ODS钢中形成的细小Y–Ti–O氧化物尤其是正交晶系的Y2TiO5,具有优异的抗辐照性和不寻常的热稳定性,以及良好的抗辐照肿胀和抗氦脆能力。且FeCr-ODS钢中大部分的氧化物颗粒与bcc铁基体呈共格或半共格关系。(2)FeCrAl-ODS钢中绝大多数(87.4%)小颗粒均为Y–Zr–O氧化物,0.63 wt.%Zr的添加促进了Y–Zr–O的形成。Y–Zr–O氧化物可进一步分为三方晶系的Y4Zr3O12(61.1%)和正交或立方晶系的Y2Zr2O7(26.3%)。Y4Zr3O12和Y2Zr2O7均具有优异的抗辐照性和热稳定性。FeCrAl-ODS钢中只检测到了少量的Y–Al–O氧化物,包括正交晶系的YAP(2.9%)和六方晶系的YAH(0.6%),Zr的添加显著抑制了FeCrAl-ODS钢中Y–Al–O氧化物的形成。另外还发现了少量Y–Ti–O氧化物,包括正交晶系的Y2TiO5(5.1%)和正交晶系的YTiO3(0.6%),而大颗粒主要为ZrO2氧化物(3.4%)。且FeCrAl-ODS钢钢中大部分的氧化物颗粒与bcc铁基体呈共格关系。(3)在所得结果的基础上,讨论了FeCr-ODS钢和FeCrAl-ODS钢中各种类型氧化物的形成机制,以及ODS钢具有优异的抗辐照性、热稳定性和力学性能的原因,这将有助于指导今后的合金设计与优化。
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