贾皓东等：高强度耐腐蚀ODS-FeCrAl合金微观结构、力学性能研究进展 199· dispersed particles containing Al is usually larger than before,and their number density decrease.The state of dispersed particles in the alloy is closely related to the mechanical properties of the alloy.In this paper,the current research progress is summarized using relevant domestic and foreign documents considering the influence and control method of the microstructure of ODS-FeCrAl alloy due to the introduction of the Al element with the goal of serving as a reference for the forture development of ODS-FeCrAl alloy. KEY WORDS accident tolerant fuel;ODS stell:microstructure;corrosion resistance;creep performance 核能将是今后低碳能源的重要组成部分，目 1ODS-FeCrAl合金的发展历史 前核电发电量也已占据全球总发电量相当一部分 1.1传统FeCrAl合金的发展及应用 的份额)根据世界核能协会2020年7月的报 FeCrAl合金因其优秀的高温抗腐蚀性能，加 告，2019年全年核电发电量为2657TW-h,占发电 之比电阻大、成本低，作为电热合金材料得到了广 总量的10.3%倒.根据国际能源署与经合组织核能 泛应用.FeCrAl合金是在FeCr合金的基础上发展 署共同制定的核能技术路线，这个比例在2050年 起来的.由于Cr2O3对合金的保护性在1100℃以 将提高到17%我国核电技术发展相对较晚，但 上时很难维持四，需要加入A1元素形成更加具有 近年来发展迅速.2008年核电仅占全国电力供应 保护性质的AlO3膜.当合金中含一定量A1时，通 总量的1.15%，2020年已逐步提高到4%以上.核 常需要足够的Cr元素才能保证致密的保护性氧 电将成为我国重要的能源支柱.在核电的快速发 化铝膜的形成.研究表明，不含Cr的FeAl合金在 展中，安全性和经济性成为日益重要的议题.一方 1000℃氧化1min后表面会形成很厚的氧化膜， 面，2011年的福岛事故迫使人们更加重视事故工 且成分以Fe为主；而当合金体系中存在一定量 况下的材料服役问题，需要发展更安全的新型高 Cr时，才会促进铝的选择性氧化，形成致密的氧 强度材料代替传统的锆合金，避免氢爆事故发生 化铝膜，这就是所谓的第三组元作用3因此， 这就是所谓的事故容错燃料(Accident tolerant fuel, 早期的FeCrAl合金中Cr的质量分数通常高达 AT℉)系统.另一方面，国际上正在大力协作发展 18%~30%之间.但是，Cr含量过高使合金在高温 具有比目前使用的二代和三代堆更安全、经济的 下析出α'相，导致合金在热应力及外力作用下很 先进反应堆，即第四代核能系统(Generation IV 容易发生脆化断裂.所以，研究者们一直致力于 reactors).不论是ATF或第四代反应堆，其工况条 降低FeCrAl合金中的Cr含量.商用FeCrAl合金 件都变得更加苛刻.尤其是强辐照、高温水蒸气 中Cr的质量分数就从最初的30%降低到了20.5% 或高温液态金属等介质的强烈腐蚀作用和高温强 (KANTHAL DT牌号)，并进一步降低至12% 度等方面的要求使得传统的锆合金与不锈钢等结 (ALKROTHAL3牌号).但是Cr含量过低又会导 构材料已经无法满足服役要求[.通过先进粉末 致Al2O3膜难以形成，Cr与A1含量的匹配性是 冶金方法制备的具有高数密度和超细氧化物弥散 FeCrAl合金的重要研究方向.如图1所示，通过对 粒子的纳米氧化物弥散强化(Oxide dispersion 大量已有FeCrAl合金中Cr、Al含量与性能之间关 strengthened,ODS)合金在高温下具有优异的力学 系的结果进行分析，指出了FeCrAl合金中因为 性能和抗辐照性能，使其成为多种第四代先进核 A1、Cr含量不适可能引起的各种问题，也指出了 能系统中包壳管与其他结构材料的重要候选材 在合适范围内目前没有发现明显的问题，这为 料-在ODS钢的基础上添加铝所制备的ODS- FeCrAl合金的研究提供了方向-2u FeCrAl合金，具有比普通ODS钢更好的抗腐蚀性 1.2ODS-FeCrAl合金的发展及应用 能.这使得ODS-FeCrAl合金在ATF系统及铅冷 采用传统熔炼方法制备的FeCrAl合金主要通 快堆等四代堆中都是包壳管的重要候选材料，成 过碳化物及金属间化合物强化，强度随温度升高 为当前核材料研究的一个热点. 衰减严重，并且在高温下由于晶粒的长大也会导 目前，针对ODS-FeCrAl合金研究进展的总结 致脆化.当晶粒平均尺寸大于100μm时，由于晶 还相对较少，本文旨在通过梳理ODS-FeCrAl合金 粒内部位错增加，位错移动留下的滑移带会导致 的发展历程，对其显微组织、强度和抗腐蚀性能等 晶粒自身的强度下降，从而更容易在晶粒内部产 方面的研究进展和亮点工作进行总结，进而对其 生裂纹，进一步发生因解理引起的穿晶断裂6通 发展方向进行展望 过机械合金化方法制备的ODS合金则可以有效解dispersed particles containing Al is usually larger than before, and their number density decrease. The state of dispersed particles in the alloy is closely related to the mechanical properties of the alloy. In this paper, the current research progress is summarized using relevant domestic and foreign documents considering the influence and control method of the microstructure of ODS−FeCrAl alloy due to the introduction of the Al element with the goal of serving as a reference for the forture development of ODS−FeCrAl alloy. KEY WORDS    accident tolerant fuel；ODS stell；microstructure；corrosion resistance；creep performance 核能将是今后低碳能源的重要组成部分，目 前核电发电量也已占据全球总发电量相当一部分 的份额[1−2] . 根据世界核能协会 2020 年 7 月的报 告，2019 年全年核电发电量为 2657 TW·h，占发电 总量的 10.3% [3] . 根据国际能源署与经合组织核能 署共同制定的核能技术路线，这个比例在 2050 年 将提高到 17% [4] . 我国核电技术发展相对较晚，但 近年来发展迅速. 2008 年核电仅占全国电力供应 总量的 1.15%，2020 年已逐步提高到 4% 以上. 核 电将成为我国重要的能源支柱. 在核电的快速发 展中，安全性和经济性成为日益重要的议题. 一方 面，2011 年的福岛事故迫使人们更加重视事故工 况下的材料服役问题，需要发展更安全的新型高 强度材料代替传统的锆合金，避免氢爆事故发生. 这就是所谓的事故容错燃料（Accident tolerant fuel， ATF）系统. 另一方面，国际上正在大力协作发展 具有比目前使用的二代和三代堆更安全、经济的 先进反应堆 ，即第四代核能系统 （ Generation IV reactors）. 不论是 ATF 或第四代反应堆，其工况条 件都变得更加苛刻. 尤其是强辐照、高温水蒸气 或高温液态金属等介质的强烈腐蚀作用和高温强 度等方面的要求使得传统的锆合金与不锈钢等结 构材料已经无法满足服役要求[5−6] . 通过先进粉末 冶金方法制备的具有高数密度和超细氧化物弥散 粒 子 的 纳 米 氧 化 物 弥 散 强 化 （ Oxide dispersion strengthened, ODS）合金在高温下具有优异的力学 性能和抗辐照性能，使其成为多种第四代先进核 能系统中包壳管与其他结构材料的重要候选材 料[7−11] . 在 ODS 钢的基础上添加铝所制备的 ODS− FeCrAl 合金，具有比普通 ODS 钢更好的抗腐蚀性 能. 这使得 ODS−FeCrAl 合金在 ATF 系统及铅冷 快堆等四代堆中都是包壳管的重要候选材料，成 为当前核材料研究的一个热点. 目前，针对 ODS−FeCrAl 合金研究进展的总结 还相对较少，本文旨在通过梳理 ODS−FeCrAl 合金 的发展历程，对其显微组织、强度和抗腐蚀性能等 方面的研究进展和亮点工作进行总结，进而对其 发展方向进行展望. 1    ODS−FeCrAl 合金的发展历史 1.1    传统 FeCrAl 合金的发展及应用 FeCrAl 合金因其优秀的高温抗腐蚀性能，加 之比电阻大、成本低，作为电热合金材料得到了广 泛应用. FeCrAl 合金是在 FeCr 合金的基础上发展 起来的. 由于 Cr2O3 对合金的保护性在 1100 ℃ 以 上时很难维持[12] ，需要加入 Al 元素形成更加具有 保护性质的 Al2O3 膜. 当合金中含一定量 Al 时，通 常需要足够的 Cr 元素才能保证致密的保护性氧 化铝膜的形成. 研究表明，不含 Cr 的 FeAl 合金在 1000 ℃ 氧化 1 min 后表面会形成很厚的氧化膜， 且成分以 Fe 为主；而当合金体系中存在一定量 Cr 时，才会促进铝的选择性氧化，形成致密的氧 化铝膜，这就是所谓的第三组元作用[13−15] . 因此， 早 期 的 FeCrAl 合 金 中 Cr 的质量分数通常高 达 18%～30% 之间. 但是，Cr 含量过高使合金在高温 下析出 α′相，导致合金在热应力及外力作用下很 容易发生脆化断裂[16] . 所以，研究者们一直致力于 降低 FeCrAl 合金中的 Cr 含量. 商用 FeCrAl 合金 中 Cr 的质量分数就从最初的 30% 降低到了 20.5% （ KANTHAL DT 牌 号 ） ， 并 进 一 步 降 低 至 12% （ALKROTHAL 3 牌号）. 但是 Cr 含量过低又会导 致 Al2O3 膜难以形成 ，Cr 与 Al 含量的匹配性是 FeCrAl 合金的重要研究方向. 如图 1 所示，通过对 大量已有 FeCrAl 合金中 Cr、Al 含量与性能之间关 系的结果进行分析 ，指出了 FeCrAl 合金中因为 Al、Cr 含量不适可能引起的各种问题，也指出了 在合适范围内目前没有发现明显的问题 ，这为 FeCrAl 合金的研究提供了方向[17−21] . 1.2    ODS−FeCrAl 合金的发展及应用 采用传统熔炼方法制备的 FeCrAl 合金主要通 过碳化物及金属间化合物强化，强度随温度升高 衰减严重，并且在高温下由于晶粒的长大也会导 致脆化. 当晶粒平均尺寸大于 100 μm 时，由于晶 粒内部位错增加，位错移动留下的滑移带会导致 晶粒自身的强度下降，从而更容易在晶粒内部产 生裂纹，进一步发生因解理引起的穿晶断裂[16] . 通 过机械合金化方法制备的 ODS 合金则可以有效解 贾皓东等： 高强度耐腐蚀 ODS−FeCrAl 合金微观结构、力学性能研究进展 · 199 ·