摘 要

氧化物弥散强化铁素体合金（Oxide dispersion strengthened ferritic alloy）因其优异的综合性能，在民用和国防领域有着非常广泛的应用，尤其在核反应方面，被认为是目前包层结构材料的首要候选结构材料，近年来已成为科研学者研究的热点。

本文首先对核聚变堆结构材料研究现状和ODS铁素体合金的制备工艺进行了文献研究和总结，根据已有的结论，采用机械合金化法制备出成分为Fe-12Cr-2.5W-0.4Ti-xSi-0.3Y₂O₃的合金粉末，进而采用真空烧结的方法制备ODS合金，针对制备过程中的影响比较大的三个因素：Si的含量、压制压力和烧结温度进行了实验探究，分析其对于ODS合金性能的影响以及产生这种变化的原因。主要结论如下：

1. 合金烧结试样的密度、硬度和强度均随着压制压力的增大而增大，在600MPa的压制压力下，合金试样的相对密度接近于80%，硬度275HV左右，2wt%Si含量合金的抗拉强度达到548.8MPa，合金的晶粒组织和弥散相尺寸较小，分布均匀，孔隙较少。
2. 合金试样的相对密度、烧损率和抗拉强度均随着烧结温度的增加先增加后减小，在1387℃、400MPa的压制压力下均达到最大，1wt%Si含量合金的相对密度为78%，烧损率为3.3%，抗拉强度为366.9MPa。
3. 合金试样的收缩率和硬度随着烧结温度的增加而降低，2wt%Si含量合金合金在1367℃，400MPa下的收缩率为7.8%，硬度为404HV。
4. Si的添加能使组织均匀，细化晶粒，从而有效提高ODS钢的力学性能，添加2wt%的Si可以使合金试样（1367℃和600MPa）的相对密度从77%提高到82%，硬度从354HV提高到404HV，抗拉强度从447.4MPa提高到548.8Mpa。

关键词：ODS合金；压制压力；烧结温度；Si；性能

Abstract

Oxide dispersion-strengthened ferritic alloys have a wide range of applications in civil and defense fields due to their excellent comprehensive properties. Especially in nuclear reactions, they are considered to be the primary candidate structural materials for cladding structural materials. In recent years, it has become a hot spot for research scholars.

In this paper, the research status of nuclear fusion reactor structural materials and the preparation process of ODS ferritic alloys are firstly studied and summarized. According to the existing conclusions, the alloy powder with the composition of Fe-12Cr-2.5W-0.4Ti-xSi-0.3Y₂O₃ was prepared by mechanical alloying method, and the ODS alloy was prepared by vacuum sintering. The three factors which have great influence on the preparation process: the content of Si, the pressing pressure and the sintering temperature were investigated and analyzed. The effect on the properties of the ODS alloy and the reasons for this change. The main conclusions are as follows:

1. The density, hardness and strength of the alloy sintered samples increase with the increase of pressing pressure. Under the pressing pressure of 600MPa, the relative density of the alloy samples is close to 80%, the hardness is about 275HV, The tensile strength of D alloy reaches 548.8MPa, and the grain structure and dispersion phase of the alloy are small, evenly distributed and less.
2. The relative density, burning loss rate and tensile strength of the alloy samples increased first and then decreased with the increase of sintering temperature, and reached the maximum at 1387 ° C and 400 MPa. The relative density of C alloy was 78%, the burning loss rate of the C alloy was 33%, and the tensile strength was 366.9 MPa.
3. The shrinkage and hardness of the alloy sample decreased with the increase of sintering temperature. The shrinkage of D alloy at 1367 ° C, 400 MPa was 7.8%, and the hardness was 404 HV.
4. The addition of Si can make the structure uniform and refine the grains, thus effectively improving the mechanical properties of ODS steel. Adding 2wt% Si can increase the relative density of alloy samples (1367°C and 600MPa) from 77% to 82%. The hardness is increased from 354 HV to 404 HV, and the tensile strength is increased from 447.4 MPa to 548.8 MPa.

Key Words：ODS alloy；pressing pressure；sintering temperature；Si；properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 核聚变堆积聚变对结构材料研究现状 1

1.3 ODS铁素体合金的制备工艺 2

1.4 研究内容和技术路线 4

第2章 ODS合金的制备和测试方法 5

2.1 引言 5

2.2 实验材料 5

2.2.1 成分设计 5

2.2.2 实验原料 5

2.3 实验方法及设备 6

2.3.1 机械合金化制粉 6

2.3.2 模压成型 8

2.3.3 真空烧结 9

2.3.4 试样处理 10

2.4 分析及测试方法 10

2.4.1 物理性能测试 10

2.4.2 力学性能测试 11

2.4.3 组织性能测试 12

第3章 不同实验条件对ODS铁素体合金性能的影响 13

3.1 引言 13

3.2 实验方法 13

3.3 压制压力对ODS铁素体合金性能的影响 13

3.3.1 压制压力对ODS铁素体合金密度的影响 13

3.3.2 压制压力对ODS铁素体合金力学性能的影响 14

3.3.3 压制压力对ODS铁素体合金组织性能的影响 16

3.4 烧结温度对ODS铁素体合金性能的影响 17

3.4.1 烧结温度对ODS铁素体合金物理性能的影响 17

3.4.2 烧结温度对ODS铁素体合金力学性能的影响 19

3.4.3 烧结温度对ODS铁素体合金组织性能的影响 21

3.5 Si含量对ODS铁素体合金性能的影响 21

3.5.1 Si含量对ODS铁素体合金相对密度的影响 21

3.5.2 Si含量对ODS铁素体合金力学性能的影响 22

3.5.3 Si含量对ODS铁素体合金组织性能的影响 23

3.6 本章小结 26

第4章 总结与展望 27

4.1 本文主要结论 27

4.2 本文创新之处 27

4.3 展望 27

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

随着社会的发展，人类对于能源的需求日益增加，核能因其高效、清洁和稳定性，成为改善环境和解决能源危机的最可靠的能源之一，越来越多的受到人们的关注。经过三代的技术发展，核电系统的安全性和效率都有了很大的提高。但是从核能的长期稳定发展来看，核电技术在可持续性和经济性等方面还有很大的发展空间，因此必须研发第四代未来新型核电反应系统。超临界水冷堆（Super Critical Water Reactor）以轻水作为冷却剂的堆型，有着安全性、经济性和高效率等一系列优势。超临界水冷堆的高温、高压和强烈的中子辐照工况条件给包壳管的选材带来了科学挑战，包壳管需要始终保持良好的力学性能、辐照性能、物理和化学性能。

根据以往反应堆内燃料包壳材料的研究经验，结合其耐腐蚀性能、高温强度、抗辐照特性的相关实验数据，氧化物弥散强化铁素体合金（Oxide dispersion strengthened ferritic alloy）因其优异的高温综合力学性能、抗氧化性能以及良好的抗辐照肿胀能力，被认为是目前包层结构材料的首选候选结构材料。

本文针对先进反应堆关键材料的典型服役环境，通过机械合金化法制备12Cr铁素体合金粉末，并采用真空烧结制备出高性能12Cr-ODS合金，为ODS铁素体合金的发展提供力所能及的帮助，也为下一代聚变反应堆结构提供优质的材料。

1.2 核聚变堆积聚变对结构材料研究现状

在制备方法方面，机械合金法一直作为制备ODS钢的主要手段，最早开始于1987年日本对于包壳材料的研究^[1]。但传统的这种方法存在球磨时间长、出粉率低等缺点，因此引入了热挤压和热等静压的方法进行固结成型。利用HE成型的ODS钢致密度较高但存在各向异性而通过HIP成型的ODS钢避免了各向异性但致密度相对较差。此外有研究发现，经HE成型的ODS钢比HIP成型的ODS钢抗拉强度和硬度更高且氧化物强化相弥散分布均匀程度更高。除此之外，ODS钢的固化成型方法还包括放电等离子烧结(SPS)、等通道转角挤压(ECAE)及微波烧结等方法。

随着ODS钢制备方法的不断改进，出现了多种方法来弥补ODS钢各方面的不足。Rieken等^[2]提出了采用气雾化反应的方法代替机械合金化法制备ODS钢，最终可以形成高度稳定的纳米级的复合氧化物。Gil^[3]在Rieken的基础上，采用气雾化反应的方法制备粉末后，再经过热处理引入氧，大大的提高了效率和缩减了成本。燕青芝等^[4]采用熔炼铸造的方法制备了ODS钢，很大程度的提高了ODS钢的高温强度和抗蠕变性能。郭丽娜等^[5]研究发现通过乙二胺四乙酸络合溶胶-凝胶法向合金粉末中加入氧化物制备的12CrODS铁素体钢为等轴状，且氧化物分布均匀。

在微观合金组织对ODS合金性能的影响方面，有学者^[6]研究发现当Y₂O₃含量较高时，合金的晶界处会出现微小孔隙，提高了O的扩散能力，从而恶化合金的抗氧化性能。张广明^[7]研究了9CrODS钢热加工可以改善微观组织和弥散相的作用，从而实现实现强韧匹配。谭晓晓等^[8]发现不同性质的氧化物掺杂会对ODS合金的抗氧化性能产生影响，能细化合金基体，提高氧化膜的粘附性能。