基于中子散射技术研究熔铸ODS钢中氧化物纳米团簇在焊接和液态金属中的演化行为

Oxide dispersion strengthened (ODS) steels are the most promising structural materials for advanced nuclear reactors, because of their remarkable resistance to irradiation damage and high temperatures creep originated from the highly stabilized oxide with the size smaller than 5nm. So far, the ODS steels are produced by mechanical alloying followed by hot powder consolidation（MA）. The problems of MA process route are the high cost and difficulty for batch production as well as the low ductility and anisotropy in mechanical property. We explored an alternative casting method to fabricate ODS steels containing a large number of oxide nanoclusters with size of ~2nm. After ion irradiation tests, few voids were found and the irradiation swelling is almost zero. But we are not able to explain the reason of its excellent radiation resistance, because the formation mechanism, chemistry and structure of the nanoclusters in casting steels are still unknown. Moreover, the influence of nanoclusters on the welding and corrosion resistance properties has not been explored. So in the project, we are going to clarify the evolution behavior of nanoclusters in welding process and Lead Bismuth eutectic, via synchrotron radiation facility. The stabilize mechanism in service condition should be clarified for the foundation of evolution analysis, providing the theory and data support for the actual application of the steels.

稀土氧化物弥散强化钢（ODS）因含有尺寸小于5nm的氧化物而显示出优异的耐辐照损伤和耐高温蠕变性能，是最有希望的铅基快堆结构材料。但到目前为止所有ODS钢均采用粉末冶金方法制备，存在量化困难、塑性低且各项异性严重等问题，如何实现规模化制备是全世界正在探索的前沿和难点。我们经过前期反复实验，采用熔铸技术制备出了包含大量2nm左右氧化物团簇的ODS钢，高温蠕变性能优异，辐照后未发现任何肿胀空位团。但纳米团簇的尺度分布和结构特征尚不清楚，其对钢的焊接性能和腐蚀性能的影响尚未研究。基于此，本项目以熔铸ODS钢和焊接件为研究对象，采用小角中子散射和中子衍射技术研究ODS钢和焊接件在高温时效过程和铅铋液体腐蚀后氧化物的结构演化行为，阐明其在高温服役环境下的稳定机制，及对焊接残余应力和应力腐蚀开裂敏感性的作用机制，为钢的工程应用奠定理论基础和数据积累。

核能作为一种高效、安全、低碳的清洁能源在国家能源战略中发挥着重要作用。随着先进反应堆的迅猛发展，工程结构材料对先进反应堆工程化和安全可靠性的制约瓶颈也日益凸显。氧化物弥散强化（ODS）钢被认为是第四代核裂变反应堆堆芯元件和核聚变包层部件的候选材料。但是到目前为止，所有抗辐照ODS钢均采用粉末冶金方法制备，存在批量化困难、批次间稳定性差、材料塑性低且各项异性严重等问题的制约。我们在稀土钢的基础上，探索改变造渣体系、控制钢液氧含量、改变钇加入方式、改变浇注工艺，经过160多次冶炼和浇注实验后，得到了氧化物尺寸细小（5nm以下）、数密度高（6×10^24/m3左右）、均匀分布在铁基体中的熔炼ODS钢。然而，阐明纳米氧化物在焊接和LBE腐蚀过程中的演变规律是钢走向应用首先要解决的关键科学问题。. 基于此，本项目以熔铸ODS钢母材和焊接件为研究对象，以同成分未ODS化钢为对比样。自主搭建了静态铅铋腐蚀实验装置，并分别在液态LBE合金中进行了数千小时的腐蚀实验。对腐蚀前后的母材和焊接样品分别进行中子小角散射（SANS）分析和中子衍射应力分析，研究了钢中纳米氧化物在高温时效和液态金属腐蚀作用下的形貌结构演化规律。利用SANS统计了熔铸ODS钢的母材、焊接件和液态LBE腐蚀后焊接样品中第二相粒子的微观分布，解释了纳米氧化物粒子对母材及焊接接头性能的作用机理。采用中子衍射无损应力检测技术分析了LBE腐蚀前后母材样品氧化膜及基体表面的残余应力状态，阐明了氧化物对钢腐蚀钝化膜稳定性、应力腐蚀敏感性的作用机制。. 通过以上研究，共发表研究论文8篇，申请及授权专利4项，培养硕士生3人，博士生3人。小组研究人员参加国内学术交流会6次，组织学术交流会3次。. 全面完成了项目任务书提出的研究内容和预期成果。