本發明涉及耐腐蝕核用材料領域，具體涉及一種耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金及其制備方法。

背景技術：

1、氧化物彌散強化(oxide?dispersion?strengthened,ods)fecral合金因其基體中彌散分布納米尺度的氧化物顆粒釘扎位錯和晶界、捕獲輻照產生的離位原子和氦泡等而具有較為優異的力學性能和耐輻照腫脹性能，成為先進核反應堆包殼和結構材料的候選材料。在具有良好加工成型的基礎上，基體中的al含量(≥4wt％)為高溫空氣、超臨界水和高溫高壓水蒸汽條件下服役的ods?fecral合金形成保護性的氧化鋁薄膜提供了充足的元素補給，實現了高溫強度、耐輻照性能和抗腐蝕性能的兼容。然而，第四代先進反應堆之一的鉛(鉍)冷快堆使用液態鉛(鉍)合金作為冷卻劑，高密度的鉛鉍合金對包殼和結構材料具有獨特的沖蝕、溶解和氧化作用，鉛鉍熔液沿晶界向內擴散的同時，結構材料中的ni、fe元素被逐漸溶解，導致材料失效。雖然已經證明ods?fecral合金表面能生成氧化鋁，但是由于鉛鉍合金的強滲透和強侵蝕性，富鐵、富鉻的多層氧化物較容易在合金表面生成，如專利cn117385353?a。長時服役時，多層氧化物可能會因界面應力而剝落，材料具有再次侵蝕的風險。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金及其制備方法。利用該方法可以使得高密度的、尺寸細小的y-zr-o納米強化相替代尺寸略微粗大的y-al-o相納米顆粒優先在fecral合金基體中彌散析出，結合充足的al含量，促進合金表面生成致密氧化鋁薄膜，使得底部基體免受鉛鉍合金侵蝕，實現鉛冷快堆使用的ods?fecral合金具有優異的高溫力學強度和抗腐蝕性能。

2、本發明涉及的技術方案如下：

3、一種耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，按質量百分比計，該合金的化學成分如下：

4、c≤0.01％，cr：11～25％，al：5.0～10.0％，w：0～3.0％，ta+v≤0.35％，zr：0.1～0.5％，y：0.1～0.5％，o：0.15～0.5％，fe為余量。

5、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，優選的，按質量百分比計，該合金的化學成分如下：

6、c：0.001～0.006％，cr：14～20％，al：6.0～8.0％，w：0.5～2.0％，ta+v≤0.15％，zr：0.2～0.35％，y：0.2～0.35％，o：0.2～0.4％，fe為余量。

7、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，氧化物彌散強化fecral合金的微觀結構由fecral的體心立方基體、基體內高密度彌散析出的y-zr-o相和y-al-o相納米顆粒組成。

8、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，y-zr-o相為立方結構的yzro3和三方結構的y4zr3o12納米顆粒，y-al-o相為單斜結構的y4al2o9納米顆粒；y-zr-o相納米顆粒的析出降低總納米強化相的平均顆粒尺寸到8nm以下，顯著提升氧化物彌散強化fecral合金的力學強度。

9、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，y-zr-o相和y-al-o相納米顆粒在總析出相中的體積比例由合金的o含量控制，y-zr-o相納米顆粒的體積比例>60％。

10、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，氧化物彌散強化fecral合金的過量o含量>0.1wt％，過量o含量＝合金o含量-y2o3粉末引入的o含量。

11、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，在拉伸速率≤1×10-3s-1的條件下，550℃拉伸的屈服強度>400mpa，抗拉強度>550mpa，延伸率>20％。

12、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，該合金在飽和氧濃度、550℃的液態鉛鉍熔液中浸泡，表面生成致密的氧化鋁薄膜。

13、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金的制備方法，包括如下步驟：

14、(1)依據合金組分，利用霧化制粉裝置，霧化制取fecral預合金粉末；

15、(2)預合金粉末與氧化物粉末混合后，在高純ar氣體保護下進行球磨，獲得機械合金化粉末；

16、(3)球磨的合金粉末真空封裝后，進行熱等靜壓固化處理、鍛造處理和最后退火處理，獲得所述高強度氧化物彌散強化fecral合金。

17、所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金的制備方法，用于混合的氧化物粉末為氧化鐵、氧化鉻、氧化鋁、氧化鋯和氧化釔之一種或兩種以上，通過控制單一或混合氧化物粉末的用量，做到氧化物彌散強化fecral合金基體元素含量和氧含量的共同控制。

18、本發明的設計思想是：

19、利用球磨工藝中y-zr-相比y-al-相更容易與o-空位結合的特性，促進尺寸細小的y-zr-o相納米顆粒替代y-al-o相納米顆粒優先形核；利用合金o含量或/和過量o含量可以控制y-zr-o相和y-al-o相析出比例的特性，通過提高粉末和后續合金的o含量，促進納米強化相由高密度的y-zr-o相組成，進而增加ods?fecral合金的強度；利用高溫條件下合金基體的al可以快速向外擴散并與外界氧結合的特性，促使鉛鉍環境下的ods?fecral合金表面快速形成致密的氧化鋁薄膜，阻擋鉛鉍熔液對合金基體的進一步侵蝕，進而提高合金的高溫耐鉛鉍腐蝕性能。

20、zr元素添加可能對fecral系合金氧化鋁膜生成存在負面影響，然而，通過增加o含量，促進更多y-zr-o相納米顆粒先于y-al-o相納米顆粒析出，將zr元素以yzro3和y4zr3o12第二相納米顆粒的形式消耗，降低基體殘留zr元素及其對氧化鋁膜生成的影響，從而實現odsfecral合金在可加工性、力學強度和耐腐蝕性能上多方面的提升。

21、本發明的優點及有益效果是：

22、1)本發明借助zr元素的添加促使y-zr-o相納米團簇在fecral球磨粉末中形核、更小尺寸的y-zr-o相納米顆粒在熱固化合金中彌散析出，獲得強度提升的ods?fecral合金。

23、2)本發明提供了一種可實現ods?fecral合金的力學強度和耐鉛鉍腐蝕性能同時增強的制備方式，通過對混合氧化物粉末含量的調節，實現ods合金中氧含量的有效控制。

技術特征：

1.一種耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，按質量百分比計，該合金的化學成分如下：

2.按照權利要求1所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，優選的，按質量百分比計，該合金的化學成分如下：

3.根據權利要求1或2所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，氧化物彌散強化fecral合金的微觀結構由fecral的體心立方基體、基體內高密度彌散析出的y-zr-o相和y-al-o相納米顆粒組成。

4.根據權利要求3所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，y-zr-o相為立方結構的yzro3和三方結構的y4zr3o12納米顆粒，y-al-o相為單斜結構的y4al2o9納米顆粒；y-zr-o相納米顆粒的析出降低總納米強化相的平均顆粒尺寸到8nm以下，顯著提升氧化物彌散強化fecral合金的力學強度。

5.根據權利要求3所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，y-zr-o相和y-al-o相納米顆粒在總析出相中的體積比例由合金的o含量控制，y-zr-o相納米顆粒的體積比例>60％。

6.根據權利要求1或2所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，氧化物彌散強化fecral合金的過量o含量>0.1wt％，過量o含量＝合金o含量-y2o3粉末引入的o含量。

7.根據權利要求1或2所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，在拉伸速率≤1×10-3s-1的條件下，550℃拉伸的屈服強度>400mpa，抗拉強度>550mpa，延伸率>20％。

8.根據權利要求1或2所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金，其特征在于，該合金在飽和氧濃度、550℃的液態鉛鉍熔液中浸泡，表面生成致密的氧化鋁薄膜。

9.一種權利要求1至8之一所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

10.根據權利要求9所述的耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化fecral合金的制備方法，其特征在于，用于混合的氧化物粉末為氧化鐵、氧化鉻、氧化鋁、氧化鋯和氧化釔之一種或兩種以上，通過控制單一或混合氧化物粉末的用量，做到氧化物彌散強化fecral合金基體元素含量和氧含量的共同控制。

技術總結
本發明涉及耐腐蝕核用材料領域，具體涉及一種耐液態鉛鉍腐蝕的高強度氧化物彌散強化FeCrAl合金及其制備方法。該氧化物彌散強化FeCrAl合金按質量百分含量配比為：C≤0.01％；Cr：11～25％；Al：5.0～10.0％；W：0～3.0％；Ta+V≤0.35％；Zr：0.1～0.5％；Y：0.1～0.5％；O：0.15～0.5％，Fe為余量。該材料通過添加適量Zr元素促進尺寸細小的Y?Zr?O相納米顆粒替代尺寸略大的Y?Al?O相納米顆粒優先析出，實現ODS?FeCrAl合金力學強度的提升。針對鉛鉍環境下Zr元素可能存在阻礙ODS?FeCrAl合金表面氧化鋁薄膜生成的潛在危害，通過調控球磨粉末和合金O含量，促進大量Zr元素以Y?Zr?O強化相形式消耗，降低合金基體的Zr含量，降低和消除對保護性氧化鋁膜生成的不利影響，獲得兼具優異耐鉛鉍腐蝕性能和優異高溫力學性能的ODS?FeCrAl合金。

技術研發人員：李靜,熊良銀,葛鵬,李明群,劉實,張琪,馬浩博
受保護的技術使用者：中國科學院金屬研究所
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24