电子束物理气相沉积(EBPVD)方法制备铁素体基氧化物弥散强化(ODS)合金薄板

Ferritic oxide dispersion strengthened(ODS) alloy has relatively high application temperature range and superier high temperature performance due to introducing nanoscale dispersoids, which make it important candidate material for making key components in the field of nuclear industry and aerospace. Traditional rolling, powder metallurgy, and mechanical alloying(MA) routes can not fabricate ODS alloy sheets with high Al content, which limits the high temperature oxidation resistance of the material. In this project, Electron- Beam Physical Vapor Deposition(EBPVD) is employed to fabricate FeCrAl ODS alloy sheets with gradient Al content, one side of the sheet with low Al content, which makes the sheet weldable, another side of the sheet with high Al content, which improves the oxidation resistance of the sheet. The evaporation behavior of Al element in three-element alloy FeCrAl and four element alloy FeCrAl-X(W or Re)is to be investigated both by thermodynamic calculation and by experimental analysis.The microstructure, room temperature and high temperature mechanical properties, oxidation resistance, and weldability are to be characterised and the key factors and mechanisms controlling these performances are to be discussed. The Y-O and Y-Al-O nanoscale dispersoids are to be characterised, and the high temperature stability of the dispersoids/nanoclusters is to be studied, the strenghtening mechanism of the alloy is to be researched. This project is going to broaden the design concepts of high temperature alloy, and provide important technical information and theorems for the fabrication of reactor fuel cladding materials.

铁素体基ODS合金由于引入纳米尺度的弥散强化相而使其使用温度及高温性能获得大幅提高，因此成为核工业及航空航天领域关键零部件的重要备选材料。传统的轧制方法及粉末冶金，机械合金化方法均不能制备高铝含量的ODS合金薄板材料，因此使材料的高温抗氧化性能受到限制。本项目提出用电子束物理气相沉积方法制备一侧低铝含量另一侧高铝含量的FeCrAl基ODS合金薄板材料的设想，以实现低铝含量一侧易于焊接，高铝含量一侧抗氧化的目的。将用热力学计算和实验分析测试相结合的方法研究三元合金FeCrAl及四元合金FeCrAl-X(W、Re)中Al元素的蒸发行为；将对材料的组织结构，高低温力学性能，抗氧化性能及可焊接性能进行表征并分析影响因素及控制机理；表征Y-O及Y-Al-O纳米强化相，并分析其高温稳定性，强化机制。本研究将拓宽高温合金材料的设计理念，为制备核反应堆用包壳管材料提供重要技术和理论储备。

为了提高铁素体ODS合金薄板材料的高温抗氧化性能，同时兼顾材料的可焊接性能，本项目利用电子束物理气相沉积方法沉积速率快、所制备材料的成分、组织结构、厚度可控的特点，制备了一侧低铝含量另一侧高铝含量的FeCrAl基ODS合金薄板材料，以实现低铝含量一侧易于焊接，高铝含量一侧抗氧化的目的。并对所制备材料的微观组织结构、力学性能、抗氧化性能进行了表征和评价。.首先，项目研究从合金元素的蒸发行为角度考虑，通过对元素的蒸发沉积动力学的研究和控制，结合对电子束电流、电子束预热时间、沉积时间、电子束功率密度等工艺参数的摸索，制备了铝元素沿薄板厚度方向梯度变化的FeCrAl-ODS合金薄板材料。.其次， 采用x射线荧光光谱、扫描电子显微镜、高分辨/透射电子显微镜等多种分析表征手段对所制备材料的成分和微观组织结构进行了多尺度表征。.最后，对所制备材料的力学性能和抗氧化性能进行了表征和评价，对材料的强化机制和抗氧化机理进行了深入研究。系统研究了电子束物理气相沉积方法制备的FeCrAl和FeCrAl-1.2Y2O3材料的高温蠕变性能（600-800oC），建立了两种材料的蠕变本构方程。加入1.2wt.%Y2O3后，材料的蠕变激活能提高到原来的2.5倍。. 本项目的研究拓宽了高温合金材料的设计理念，为核反应堆用包壳管材料的设计制备提供了重要的技术和理论储备，也为复合材料的制备方法开辟新的思路。