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 201· 20 nm 20 nm 20nm 60 2.0 (e) ■9 Cr without Ti () 9Cr 0.1 Y/Ti 1.5 40 9Cr04 Y/Ti ■9Cr1.0YTi 020 0 APT 5 0 0 10 120 30 40 50 0 Size/nm 20 nm 01234567891011 Nanoclusters diameter/nm Y.T,O. Y:T6O T02 图3YTi比与弥散粒子尺寸的关系.(a)9Cr无Ti样品TEM照片；(b)9Cr0.1YTi样品TEM照片：(c)9Cr0.4YTi样品TEM照片；(d)9Crl.0 YTi样品TEM照片：(e)9Cr不同YTi比样品的纳米颗粒尺寸分布：()MA957中颗粒尺寸与化学成分的关系%-) Fig.3 Relationship between Y/Ti ratio and dispersed particle size:(a)TEM graph of 9Cr without Ti sample;(b)TEM graph of 9Cr 0.1Y/Ti sample; (c)TEM graph of 9Cr 0.4 Y/Ti sample;(d)TEM graph of 9Cr 1.0 Y/Ti sample;(e)9Cr nanoparticle size distribution of samples with different Y/Ti ratios, (f)correlation between particle size and chemical composition in MA957 平均颗粒尺寸为22nm),相较于之前14YwT等 理性质相近，通过向ODS-FeCrAl合金中加入 ODS合金仅有几纳米的平均颗粒尺寸粗化了不 Zr元素可以改变其弥散粒子的微观结构和类型， 少.这是因为与Ti相比，Al更容易与YO3反应并 使弥散颗粒从Y-A1-O变成Y-Zr-O(主要为属于 生成Y-A1O颗粒s2Y-A-O颗粒的结构相较于 六方晶系的YZrO12),且Y-Zr-O颗粒的尺寸明 Y-Ti-O更加复杂，主要包括YA1O,(YAP)、Y3AlO12 显比Y-A1-O颗粒精细，相应的数密度也得到了提 (YAG)、Y4AlOg(YAM)和YAIO3(YAH)4种.这 高64的1，如图8所示.此外也有工作通过向ODS- 4种粒子在ODS-FeCrAl合金中都可能出现I53-列 FeCrAl合金中添加与Zr化学性质相近的Hf元素 其中YAG结构与YAP结构的粒子尺寸较大，通常 来改变其微观结构，结果也证明在加入Hf之后的 为几十纳米，乃至100nm以上.正是由于形成了这 确形成了Y-Hf-O弥散颗粒，并且在一定程度改 些大尺寸的Y-Al-O颗粒，导致ODS-FeCrAl合金 善了ODS-FeCrAl合金的弥散体系I6啊.而因为Y 内部的弥散颗粒体系平均尺寸变大，数密度则降 与Zr元素的性质相似，也有研究者提出用ZO2取 低.如图6所示，14Cr-TiODS合金中加入A1后，出 代之前以Y的复杂氧化物为主的弥散体系，含有 现了很多大尺寸弥散颗粒，并且数密度显著下降阿 ZO2并通过机械合金化的粉末在退火后内部的 在ODS-FeCrAl合金中，无论基于热力学或动 ZrO2的平均颗粒尺寸也在16nm以下67 力学的角度，都会由于A1的加人而优先析出更容 除了通过成分设计来改善ODS-FeCrAl合金 易形成的Y-A1-O颗粒.而ODS合金优异的高温 微观结构外，也可通过改变制备工艺进行调控.已 力学性能与抗辐照性能与其高数密度的精细弥散 有大量的研究表明ODS合金中的弥散颗粒主要形 颗粒关系密切，因此早期的ODS-FeCrAl合金的相 成于机械合金化粉末在900℃以上温度退火的过 应性能并不突出57-5]初步的研究表明，与含钛的 程中68-9.Xu等通过改变球磨过程中A1元素的添 ODS-FeCr合金类似，ODS-FeCrAl合金中不同种 加策略o,有效提高了AI的均匀性及YIA1比以控 类的Y-A1-O颗粒与成分之间也存在一定的关系， 制Y-A-O颗粒的种类，从而减小弥散颗粒的尺寸 如图7所示，可以看出颗粒尺寸随YIAI比的增大 并提高其数密度 而减小Is9.如何通过微合金设计对ODS-FeCrAl合 3ODS-FeCrAl合金的蠕变性能 金的显微组织进行调控是将来的重要研究工作 2.3ODS-FeCrAl合金的微观结构调控 高温蠕变性能是包壳材料的重要服役性能 已有研究表明60)，Zr元素较之Al元素更容 合金的蠕变机制通常包括扩散蠕变，位错蠕变与 易与YO3反应，且Zr与Y为邻族元素，化学与物 晶界滑移3种.稳态蠕变过程中占主导地位的是平均颗粒尺寸为 22 nm[51] ，相较于之前 14YWT 等 ODS 合金仅有几纳米的平均颗粒尺寸粗化了不 少. 这是因为与 Ti 相比，Al 更容易与 Y2O3 反应并 生成 Y−Al−O 颗粒[52] . Y−Al−O 颗粒的结构相较于 Y−Ti−O 更加复杂，主要包括 YAlO3（YAP）、Y3Al5O12 （YAG）、Y4Al2O9（YAM）和 YAlO3（YAH）4 种. 这 4 种粒子在 ODS−FeCrAl 合金中都可能出现[53−55] . 其中 YAG 结构与 YAP 结构的粒子尺寸较大，通常 为几十纳米，乃至 100 nm 以上. 正是由于形成了这 些大尺寸的 Y−Al−O 颗粒，导致 ODS−FeCrAl 合金 内部的弥散颗粒体系平均尺寸变大，数密度则降 低. 如图 6 所示，14Cr−Ti ODS 合金中加入 Al 后，出 现了很多大尺寸弥散颗粒，并且数密度显著下降[56] . 在 ODS−FeCrAl 合金中，无论基于热力学或动 力学的角度，都会由于 Al 的加入而优先析出更容 易形成的 Y−Al−O 颗粒. 而 ODS 合金优异的高温 力学性能与抗辐照性能与其高数密度的精细弥散 颗粒关系密切，因此早期的 ODS−FeCrAl 合金的相 应性能并不突出[57−58] . 初步的研究表明，与含钛的 ODS−FeCr 合金类似，ODS−FeCrAl 合金中不同种 类的 Y−Al−O 颗粒与成分之间也存在一定的关系， 如图 7 所示，可以看出颗粒尺寸随 Y/Al 比的增大 而减小[59] . 如何通过微合金设计对 ODS−FeCrAl 合 金的显微组织进行调控是将来的重要研究工作. 2.3    ODS−FeCrAl 合金的微观结构调控 已有研究表明[60−63] ，Zr 元素较之 Al 元素更容 易与 Y2O3 反应，且 Zr 与 Y 为邻族元素，化学与物 理 性 质 相 近 ， 通 过 向 ODS−FeCrAl 合 金 中 加 入 Zr 元素可以改变其弥散粒子的微观结构和类型， 使弥散颗粒从 Y−Al−O 变成 Y−Zr−O（主要为属于 六方晶系的 Y4Zr3O12） ，且 Y−Zr−O 颗粒的尺寸明 显比 Y−Al−O 颗粒精细，相应的数密度也得到了提 高[64−65] ，如图 8 所示. 此外也有工作通过向 ODS− FeCrAl 合金中添加与 Zr 化学性质相近的 Hf 元素 来改变其微观结构，结果也证明在加入 Hf 之后的 确形成了 Y−Hf−O 弥散颗粒，并且在一定程度改 善了 ODS−FeCrAl 合金的弥散体系[66] . 而因为 Y 与 Zr 元素的性质相似，也有研究者提出用 ZrO2 取 代之前以 Y 的复杂氧化物为主的弥散体系，含有 ZrO2 并通过机械合金化的粉末在退火后内部的 ZrO2 的平均颗粒尺寸也在 16 nm 以下[67] . 除了通过成分设计来改善 ODS−FeCrAl 合金 微观结构外，也可通过改变制备工艺进行调控. 已 有大量的研究表明 ODS 合金中的弥散颗粒主要形 成于机械合金化粉末在 900 ℃ 以上温度退火的过 程中[68−69] . Xu 等通过改变球磨过程中 Al 元素的添 加策略[70] ，有效提高了 Al 的均匀性及 Y/Al 比以控 制 Y−Al−O 颗粒的种类，从而减小弥散颗粒的尺寸 并提高其数密度. 3    ODS−FeCrAl 合金的蠕变性能 高温蠕变性能是包壳材料的重要服役性能. 合金的蠕变机制通常包括扩散蠕变，位错蠕变与 晶界滑移 3 种. 稳态蠕变过程中占主导地位的是 20 nm 20 nm 20 nm 20 nm (e) 60 50 40 30 20 10 0 Relative number/ % 10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Nanoclusters diameter/nm Size/nm 9Cr without Ti 9Cr 0.1 Y/Ti 9Cr 0.4 Y/Ti 9Cr 1.0 Y/Ti 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Y/Ti (f ) APT 0 10 20 30 40 50 YxTiyOz Y2Ti2O7 TiO2 (a) (b) (c) (d) 图 3 Y/Ti 比与弥散粒子尺寸的关系.（a）9Cr 无 Ti 样品 TEM 照片;（b）9Cr 0.1Y/Ti 样品 TEM 照片; （c） 9Cr 0.4 Y/Ti 样品 TEM 照片; （d）9Cr 1.0 Y/Ti 样品 TEM 照片; （e）9Cr 不同 Y/Ti 比样品的纳米颗粒尺寸 分布;（f）MA957 中颗粒尺寸与化学成分的关系[46−47] Fig.3 Relationship between Y/Ti ratio and dispersed particle size: (a) TEM graph of 9Cr without Ti sample; (b) TEM graph of 9Cr 0.1Y/Ti sample; (c) TEM graph of 9Cr 0.4 Y/Ti sample; (d) TEM graph of 9Cr 1.0 Y/Ti sample; (e) 9Cr nanoparticle size distribution of samples with different Y/Ti ratios; (f) correlation between particle size and chemical composition in MA957[46−47] 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 · 201 ·