[發明專利]一種納米結構氧化物彌散強化鋼的批量制備方法

有效

• 申請號: 201510460979.5
• 申請日: 2015-07-31
• 公開（公告）號: CN106399806B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 呂錚;劉春明
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C33/02
• 分類號: C22C33/02;C22C38/28
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及核反應堆的核心部件核燃料包殼/包層用耐高溫、高強度、抗輻照合金的制備技術，特別提供一種高性能納米結構氧化物彌散強化鋼(納米結構ODS鋼)的批量制備方法。

背景技術

核燃料包殼是反應堆中工況最嚴酷的關鍵結構部件，其作用是防止放射性裂變物質進入一次冷卻系統，日本福島核電事故即是由冷卻系統故障導致燃料包殼破損所致，事故發生后美國能源部隨即啟動了輕水堆新型核燃料和新包殼材料的研究以增加安全性?，F在國際上正在大力發展快堆和聚變堆等先進核反應堆，其燃料包殼/包層的工作環境非常嚴酷：高溫、不斷變化的巨大應力、強烈的化學反應環境、長期中子輻照和高He量等，引起包殼/包層材料一系列微觀結構和微觀化學的改變和物理、化學及力學性能的顯著惡化，因此對材料提出極高的要求。作為核反應堆最重要的安全屏障之一，燃料包殼/包層研究已成為國際核材料研究的熱點。在長期的研發過程中人們逐漸認識到，為了滿足先進堆對包殼/包層等關鍵結構材料高溫蠕變強度和抗輻照、抗He脆性能的要求，材料必需具有高密度的納米尺度(幾個納米)強化析出相，而只有通過相應合金元素的固溶/過飽和固溶和再析出，才能實現高度彌散分布的納米尺度強化相的形成，由此發展出納米結構氧化物彌散強化鋼(納米結構ODS鋼)，其特征性的超高密度(可達10²³—10²⁴/m³,比普通氧化物彌散強化鋼高出3—4個數量級)、納米尺度(2-5nm)、高度彌散分布的非平衡的非化學比富Y-Ti-O強化析出相，是俘獲輻照產生的點缺陷(空位和間隙原子)和核反應生成的He的數量巨大彌散分布的位點，使點缺陷和He分別以極其微細的點缺陷團和He泡形式均勻分布在材料基體中，從而有效降低輻照腫脹和He脆，避免晶界上生成大孔洞和大He泡引起材料蠕變強度降低和材料脆化；此外，超高密度的彌散強化析出相優異的高溫穩定性形成對位錯和晶界的有效釘扎，顯著提高材料的強度和高溫蠕變強度?，F在，納米結構ODS鋼因其優異的抗輻照與抗氦脆能力和優良的高溫強度與蠕變強度而成為先進堆燃料包殼/包層的領先候選材料和國際研究的熱點。就性能而言，納米結構ODS鋼已經基本具備包殼/包層材料應用前景，但由于現有制備技術限制其制備能力僅為公斤級，嚴重制約了其作為核反應堆包殼材料的實用化，解決其批量制備能力遂成為目前急需解決的制約新型包殼/包層材料發展的關鍵技術瓶頸。因此發展納米結構ODS鋼批量制備方法以取代現有常規制備技術的復雜工藝環節，同時使制備的材料仍具備納米結構ODS鋼的特征性微觀結構，特別是對性能至關重要的高密度納米析出相，成為發展納米結構ODS鋼的核心問題。

納米結構ODS鋼優異的抗輻照、耐高溫等性能來自其獨特的微觀結構，首先是超高密度的納米析出相。為形成這種微觀結構特征，在常規制備技術中采用的下述工藝步驟導致了制備效率的低下：

①、長時間的機械合金化：目的是形成過飽和固溶的粉體合金為納米相析出作組織準備。在常規制備方法中是用高純金屬粉或霧化母合金粉與納米氧化釔粉經長時間高能球磨以獲得Y過飽和固溶、其它元素固溶的粉體合金，同時形成高密度位錯為后續納米相析出提供形核位點。Y是形成高密度納米相的關鍵元素，富Y的氧化物析出相具有優異的熱穩定性和輻照穩定性，但Y在鋼中的室溫溶解度極低，難以通過普通冶金方法使之在合金中有足夠的固溶，因此機械合金化球磨成為實現Y過飽和固溶的主要手段。但為達此目的常需幾十到幾百小時(取決于設備的能量)，長時間球磨還難以避免來自球磨氣氛中的氧和研磨介質(研磨球和罐體)的污染，導致材料性能下降。機械合金化球磨成為導致ODS鋼制備能力低下(僅為公斤級)和難以實用化的主要原因之一；

②熱固體化：目的是實現高密度納米相從過飽和固溶粉體合金中析出、粉體合金的固體化和致密化。常規的熱固體化主要手段是熱等靜壓和熱擠壓。前者的優點是不產生明顯的組織和性能的各向異性，缺點是所需溫度高、時間長、晶粒較粗大、成本高，且需進一步熱軋以增加致密度及提高性能。熱擠壓的優點是所需溫度較低、時間短、晶粒細小，但存在明顯的組織與性能的各向異性(晶粒的長徑比可達10：1)，需要復雜的后續熱機械處理，即在納米結構ODS鋼的制備基本完成(納米析出相形成和完成固體化)后，為消除晶粒在熱擠壓方向過分拉長(晶粒的長徑比遠>1)進行的高溫和熱機械處理，以便通過再結晶和熱機械加工調整晶粒的長徑比到≈1，這不僅增加了制備工藝的復雜性，而且有可能導致納米析出相尺度長大、密度減小和晶粒粗化而降低材料性能。采用熱擠壓進行固體化的工藝也使制備能力受限。

發明內容