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Zr对FeCrAl合金显微结构及性能影响研究

摘要

随着我国核电技术的发展，开发更为安全可靠的高性能燃料包壳材料成为了核材料

研究的焦点问题之一。FeCrAl合金在冷却失效的高温环境下不会与水蒸气反应产生氢

气，因此可满足燃料包壳材料的安全需求。在保证安全可靠的基础上，通过优化FeCrAl

合金的成分设计方案，并调整加工工艺，提高材料在高温环境下的组织稳定性和综合力

学性能，以满足燃料包壳材料的工程应用需求，是目前FeCrAl合金相关研究的重点方

向。以上研究工作中，阐明合金化元素在室温和高温环境下对FeCrAl合金显微组织演

变和力学性能的影响机理具有重要的意义。

针对上述问题，本论文以FeCrAl合金为研究对象，首先通过相图分析、成分设计

以及显微组织和力学性能比较，遴选合金元素Zr用于改善FeCrAl合金的力学性能，随

后建立不同Zr含量的合金显微组织和力学性能之间的联系，确定轧制与后续热处理的

具体工艺参数。表征了FeCrAl合金的显微组织，分析了Zr元素对FeCrAl合金显微结

构的影响规律，并阐明了析出相对晶粒形核的促进机制和晶粒长大的抑制机制；计算各

项机制的强化贡献值，在Zr对FeCrAl合金析出相分布的影响规律探究的基础上，对

FeCrAl合金在室温和服役温度300℃条件下的力学性能进行了分析比较；最后，分析氧

化层的元素分布和相组成，系统地研究了Zr对FeCrAl合金高温条件下的氧化层形成的

影响以及氧化层在高温暴露过程中的抗剥落性。

研究了合金元素对FeCrAl合金显微组织和力学性能的影响规律。研究发现，Y、Ce

对FeCrAl合金的显微组织有一定的细化作用，而含量需严格控制；合金元素Nb可以有

效抑制FeCrAl合金的再结晶，屈服强度提高；合金元素Zr可细化晶粒、稳定FeCrAl合

金晶粒尺寸在20~30μm级别，并且提高屈服强度50MPa左右，而断后延伸率保持在40%

以上。

研究了热机械处理工艺对FeCrAl合金显微组织和力学性能的影响规律。选用750℃

的α单相区轧制温度、总轧制变形量90%进行轧制处理可得到显微组织主要为细小均匀

的铁素体的FeCrAl合金，并且可以使合金获得较高屈服强度和良好塑性的优异综合性

能。随着退火温度的升高，FeCrAl合金的显微结构由轧制态条状组织向退火态等轴晶粒

组织转变，而力学性能规律体现为合金强度下降，塑性有所提升。随着Zr含量的增加，

FeCrAl合金晶粒长大的速率减缓，晶粒尺寸分布更为均匀。

研究了Zr对FeCrAl合金显微组织稳定性的影响。在750℃以下温度退火，FeZr析

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哈尔滨工程大学博士学位论文

出相与基体界面应力集中区域的位错运动，为再结晶形核提供驱动力，促进再结晶形核；

在750℃以上温度退火，合金内部的FeZr析出相通过增大FeZr析出相对晶界的钉扎

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作用力，使其大于晶界迁移驱动力，从而抑制晶粒长大。在两种机制的作用下，FeCrAl

合金的显微组织稳定性提高。当退火温度在750℃以上时，FeCrAl合金显微结构为尺寸

均匀的等轴晶。根据两种温度范围内的热力学、动力学计算结果，将析出相尺寸控制在

0.3~2.9μm范围以内可有效提高FeCrAl合金显微组织的稳定性。

研究了Zr对FeCrAl合金室温和服役温度300℃力学性能的影响。Zr对FeCrAl合

金屈服强度提升的贡献（提高50MPa左右）由析出相稳定显微结构引起的细晶强化和

Orowan强化发挥作用。300℃条件下，随着Zr含量增加，合金的强度和塑性均有有显

著改善（强度提升100MPa以上，断后延伸率30%）。微米级的FeZr析出相内部具有

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明显的层错，密排堆垛方式由C15向短程的准C14型转变。这一转变是晶界迁