一种ODS-FeCrAl基合金及其制备方法

本发明属于先进金属材料制备，具体涉及一种ods-fecral基合金及其制备方法。

背景技术：

1、现代社会提倡清洁能源、低碳环保，核能具有清洁、性价比高、供应充足、稳定的基本负荷的优点，逐渐引起了能源行业与科研界的重视。要实现零碳，核能作为清洁能源是实现零碳目标的突破口，铅冷快堆以其中子经济性优良、发展可持续性好、化学稳定性高、安全性好被人们称为极具发展潜力的一种核能系统，然而铅冷快堆工作时内部环境复杂，对于包壳材料来说是极其恶劣的工作环境。包壳材料需要具备应对中子辐照、液态金属腐蚀以及高温氧化的能力，且需要具有高温稳定性。随着能源需求增长，核反应堆需不断向高效率、高温高压方向发展，核反应堆对包壳材料的要求也越来越高。包壳材料在铅冷快堆服役过程中，冷却室内铅铋共晶为流动状态，高温铅铋共晶的流动腐蚀着包壳材料内表面(金属液腐蚀)，且如果包壳材料存在裂纹或晶粒较大，铅铋金属液将更容易侵入包壳材料内部，加速包壳材料的失效。包壳材料的高温稳定性和机械性能也是影响其寿命的重要因素，可以尝试通过合金化及改变制备工艺的形式调控。此外，核反应堆中存在中子辐射，第四代核能系统会对结构材料造成100～200dpa的辐照，从而改变包壳材料内部间隙原子和空位缺陷的分布，低能量的中子辐照更倾向于将表面的间隙原子和空位推向材料内部，高能量的中子辐照趋向于使正常晶格点位原子改变位置，这两种辐照行为都会降低包壳材料性能，ods-fecral基合金中的y2o3纳米颗粒及合金元素的加入生成的laves相，阻碍着间隙原子、空位和正常点位原子的移动，降低了中子辐照对包壳材料性能的影响。

2、氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthened，ods)铁素体基合金是第四代核反应堆包壳、聚变堆包层及其它能源领域用关键高温结构材料。ods合金除了要具有优异的高温力学性能和抗辐照性能外，还要具有优异的抗氧化性能以避免材料高温下被水蒸气氧化，造成材料失效、氢的释放以及核泄漏。合金中的cr和al元素可以有效提高合金的抗氧化能力和在极端条件下的抗腐蚀能力，而合金最主要的强度提升靠基体的氧化物弥散颗粒和基体本身的细晶强化。一般而言，氧化物弥散相的粒径越细小，分布越弥散，强化效果越好。

3、ods-fecral基合金的制备方法常见的有粉末冶金法、熔炼法(原位氧化电弧熔炼、激光束扫描制备)。粉末冶金法制备的ods-fecral基合金优点在于基体晶粒细小、弥散颗粒细小且分布均匀、抗辐照性能好，缺点在于生产成本高、难以批量生产、粉末制备困难、组织纯净度较差、性能各向异性、存在孔隙、服役安全性难以保证。熔炼法制备的ods-fecral基合金具有可大批量生产、生产成本低、组织纯净、材料致密、服役安全性较高等优点，但其内部ods颗粒容易粗化团聚，阻碍了电弧制备的ods-fecral基合金的性能进一步的提高。

4、ods-fecral基合金在作为铅冷快堆包壳服役时，虽然存在不足，但是表现出良好的综合性能，是极具发展潜力的包壳材料。ods-fecral基合金与铅铋金属液接触所形成的致密氧化膜，以及其内部弥散颗粒是影响包壳材料性能的重要因素，然而，目前不同元素对ods-fecral基合金腐蚀界面氧化层影响的相关研究仍然较为有限，最优的元素搭配和加入量范围还未有明确结论、电弧熔炼制备的工艺有待探索。

5、综上所述，ods-fecral基合金在铅冷快堆中的服役性能与元素成分、制备工艺息息相关，ods-fecral基合金中的合金元素、y2o3与laves相是包壳材料长期稳定使用的关键，有待进一步研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种ods-fecral基合金及其制备方法，用于解决第四代核反应堆包壳材料在长期服役过程强度和耐腐蚀性能不足的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种ods-fecral基合金，按重量百分数计，包括ti：0.3％～0.8％，cr：12％～14％，al：3.5％～6％，y2o3：0.2％～0.4％，mo：1％～2％，其余为fe和不可避免的微量杂质。

4、具体的，ods-fecral基合金的形状呈纽扣状结构。

5、本发明的另一技术方案是，一种ods-fecral基合金制备方法，将y2o3与al进行互熔混合获得y2o3与al的合金，而后将剩余合金原料与y2o3与al的合金进行熔炼混合制备得到ods-fecral基合金。

6、具体的，以al与y2o3合金的形式加入y2o3。

7、进一步的，合金中al与y2o3的重量比为1：(9～3)。

8、具体的，电弧熔炼过程中，钨针距离金属最顶端的距离为1.5～2.5mm。

9、进一步的，钨针的长度为7～8cm。

10、具体的，熔炼过程中，抽真空3min，然后通入氩气，重复三次，保留最后一次氩气气氛。

11、具体的，熔炼过程中，启动电流为14～16a；熔炼电流为150～160a；熔炼时间为2～3min，同一样品重复多次，每次熔炼结束后，翻转ods-fecral基合金后再进行下一次的熔炼。

12、进一步的，同一样品重复次数为8～10次。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、一种ods-fecral基合金，ti元素的加入细化晶粒，提高合金强度，影响钇在氧化膜中的分布，使钇元素在氧化膜晶界处的偏析，进而阻碍氧元素向内扩散，提高了ods-fecral耐腐蚀性能，mo、ti元素质量比为2～3时符合“稳定固溶体结构模型”，耐腐蚀性能进一步提升，且mo元素促进al元素的扩散，加快ods-fecral在服役过程中致密氧化膜的形成速率，即al2o3隔离层，快速建立致密氧化膜的能力使得ods-fecral具有修复破损隔离层的能力，综上,适量配比的mo、ti元素能够很大程度提高ods-fecral耐腐蚀性能及提高力学性能。

15、一种ods-fecral基合金制备方法，电弧熔炼法制备的ods-fecral与常见的粉末冶金法制备的ods-fecral相比较，所得ods-fecral组织纯净，材料致密，服役安全性高，生产成本低，特殊的翻转熔炼工艺使得电弧熔炼制备的ods-fecral趋于各向同性，为其应用在铅冷快堆中提供了优良条件，此外，ods-fecral晶粒细化提高了其机械强度，为ods-fecral的实际应用打下了坚实的基础，相比于粉末冶金制备的ods-fecral，电弧熔炼制备的ods-fecral内部没有空隙，不会出现无法预期的安全事故(例：突然断裂失效)，即电弧熔炼制备的ods-fecral安全性优于粉末冶金制备的ods-fecral，但其内部ods颗粒容易粗化团聚，阻碍了电弧制备的ods-fecral的性能进一步的提高。

16、进一步的，电弧熔炼工艺参数为每次熔炼时间2min、电流大小为150a，在150a的电流之下，金属原料能够充分熔化，此外，靠近钨针的金属液温度高于远离钨针的金属液的温度，温差使得金属液在不断流动，减弱了ods颗粒的团聚现象，提高了ods-fecral的组织均匀性，每次熔炼结束后，翻转ods-fecral后再进行下一次的熔炼，相当于加入了重力场对其进行搅拌，使得元素分布更加均匀。同样的，翻转熔炼工艺弱化了ods颗粒的团聚现象。ods颗粒均匀分布于晶界和晶粒内部，某种程度上阻碍着晶粒变形、间隙原子移动、正常点位原子迁移，提高其抗中子辐照的能力。

17、进一步的，在电弧熔炼过程中发现，随着电弧熔炼次数的增加，ods-fecral晶粒呈先变小后稳定的趋势，经过实验证明电弧熔炼次数达到8～10次时，ods-fecral晶粒大小不再发生明显变化，且处于较小的状态。

18、综上所述，本发明中的ods-fecral组织致密，可大批量生产，组织分布均匀，致密氧化层及大量纳米级laves相的存在，将电弧制备的ods-fecral耐腐蚀性能和抗中子辐照性能推向了一个新的高度，相比于粉末冶金制备的ods-fecral，ods-fecral使用寿命和服役能力都有很大提高，具有良好的社会经济效益，可以为进一步开发能可靠服役于更加苛刻的冷却环境的ods-fecral提供研究思路。

19、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。