纳米结构ODS钢中富Y-Ti-O析出相的形成、演化与控制研究

Nanostructured oxide dispersion strengthened（ODS）steels are the leading material candidates of fuel cladding for demo/commercial fast reactors due to their excellent radiation tolerance and high temperature strengthen. However, the manufacturing capacity，high temperature strength and ductile of ODS steels need to be increased, which are all related strongly to the formation and control of nano-oxides. A new method to produce ODS steels is proposed, i.e. Y,O supersaturated alloy powders are produced directly by atomization, followed by short-time mechanical alloying (MA) and hot isostatic pressing (HIP), which improve obviously the manufacturing capacity，high temperature strength and ductile. In this proposal, the MA powders will be heat-treated to simulate HIP processing of ODS steels. The precipitation and evolution behavior of the nano-oxides, their dependence on composition and temperature, as well as their thermal stability and radiation stability will be studied by SEM-HAADF, etc. The formation mechanism and control methods of nano-oxides will be explored, which will be helpful to manufacture the large scale ODS steels, control the microstructure, improve the properties, and provide a technical basis for the future demo/commercial fast reactor fuel cladding.

纳米结构氧化物弥散强化钢具有优异抗辐照抗氦脆性能和良好高温强度，是未来示范/商业快堆燃料包壳等核心部件领先候选材料。亟待解决的扩大制备能力、提高高温强度与改善韧塑性等均涉及其特征性微观结构纳米析出相的形成、优化与控制，这也是纳米结构ODS钢研究的共性基础性问题。申请人已提出直接制备Y、O过饱和粉体合金配合短时球磨继之热固体化的ODS钢制备新方法－雾化粉法，使制备能力大幅提升、性能改善。本申请拟通过球差校正扫描透射电镜的高角环形暗场像等综合手段，用雾化后短时球磨的粉体合金热处理模拟热固体化过程，分析不同类型纳米析出相的析出顺序和演化过程及成分温度的影响，研究雾化粉法制备的纳米结构ODS钢中析出相的热稳定性与辐照稳定性及抗氦脆能力，阐明决定性能的纳米析出相控制因素，为大尺寸纳米结构ODS钢制备、微观结构控制和性能优化提供理论支持，为我国示范/商业快堆燃料包壳等核心部件研制提供技术基础。

纳米结构ODS合金中弥散分布的高密度纳米尺寸氧化物赋予合金优异的抗辐照耐高温等性能，是聚变堆包层和快堆燃料包壳的重要候选结构材料。本项目开展了基于雾化配合短时球磨制备ODS合金的研究。利用HRTEM、HAADF、SAXS、EBSD等先进的微观结构表征手段，研究了不同类型ODS钢中纳米氧化物的种类、结构、尺寸、密度、分布等关键特征，揭示了合金成分和制备工艺参数等在控制纳米氧化物的特征中的作用、机制及对合金性能的影响。研究发现温度对ODS合金粉中形成的纳米析出相的特征有显著影响，阐明了热固体化温度对纳米析出相形成与演化规律的影响； 研究了含不同Y、Ti、Zr、Al等元素的ODS合金中纳米析出相的形成与演化特征， 阐明了成分对富Y-Ti(Al/Zr)-O纳米析出相的形成、组成与演化规律的影响； 揭示了Y2O3、La2O3、CeO2等不同稀土氧化物的添加对ODS合金的晶粒尺寸与力学性能、纳米氧化物的类型与尺寸密度的影响；研究结果表明，富Y-Ti-O型纳米氧化物析出相和以其为主要析出相的ODS合金，在高温、高能离子辐照、高氦等条件下具有极好的辐照稳定性。本项目还针对ODS合金现有制备方法效率低成本高等问题开展了新制备方法探索，为高性能核用纳米结构ODS钢的发展、性能优化、批量制备提供了重要的理论和技术基础。