快中子增殖反应堆燃料包壳材料——氧化物弥散强化钢中富Y-Ti-O纳米析出相形成与结构演化机制的研究

Oxide dispersion strengthened (ODS) steels with super-high density Y-Ti-O enriched nano-sized precipitates are the leading material candidates of fuel cladding for fast reactors due to their excellent radiation tolerance and high temperature creep property. The manufacture capacity improving, optimization and innovation of manufacture process, workability improving are major problems, which are all related strongly to the formation and evolution mechanism of Y-Ti-O enriched nano-sized precipitates. A new investigation idea is proposed in this application, Y, O supersaturated alloys powder will be vacuum heat-treated to simulate the high temperature sinter process of ODS steels, the formation and evolution behavior of Y-Ti-O enriched nano-sized precipitates in heat-treated alloys powder are studied by SAXS (Small Angle X-ray Scattering), SANS (Small Angle Neutron Scattering), XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) spectrum, HAADF (High Angle Annular Dark Field), etc. The formation and evolution mechanism of Y-Ti-O enriched nano-sized precipitates will be described in this application. Meanwhile, the effects of alloy composition, sinter temperature and sinter time on the precipitate kind, microstructure characteristic and distribution characteristic of Y-Ti-O enriched nano-sized precipitates will be illustrated. The investigation results will be helpful to ODS steels microstructure design, composition optimization and improving of properties and manufacture process, as well as providing the technology foundation for researching of our country fast reactor fuel cladding materials.

ODS钢中弥散分布着超高密度的富Y-Ti-O纳米析出相，具有优异的抗辐照性能和高温蠕变性能，是快中子增殖反应堆（快堆）燃料包壳的领先候选结构材料。ODS钢亟待解决的问题如提升制备能力、优化创新生产流程、改善加工性能等都与富Y-Ti-O纳米析出相的形成机制、结构演化机制密切相关。本申请拟采用过饱和固溶体合金粉真空等温热处理的方式模拟烧结成形过程，利用小角X射线散射、小角中子散射、X射线吸收精细结构谱、高角环形暗场像等实验手段研究烧结成形过程中富Y-Ti-O纳米析出相的形成演化过程，获得不同种富Y-Ti-O纳米析出相的析出顺序，分析合金成分、烧结成形温度/时间对富Y-Ti-O纳米析出相种类、结构特征、分布特征的影响，揭示富Y-Ti-O纳米析出相的形成机制、结构演化机制，为ODS钢的微观结构设计、成分优化、性能及制备工艺的进一步改良提供理论支持，为我国快堆燃料包壳材料的研制和发展提供技术基础。

在本项目研究中通过球磨的方式制备不同Ti元素含量的氧化物弥散钢合金粉，随后进行等温热处理，模拟ODS钢的烧结成型过程。观察球磨过程中粉末样品形貌的变化趋势，表征Ti元素对于球磨过程的影响。利用小角度X射线衍射研究不同Ti元素含量、不同热处理条件下样品中析出相的分布特征。利用高分辨透射电镜观察不同Ti元素样品中析出相的原子像，以确定析出相的种类。利用X射线吸收精细结构谱技术研究不同Ti元素含量中氧化物析出相种类的变化。利用小角度中子散射技术表征样品经过等温热处理后样品中氧化物相的分布特征。测量样品经过等温热处理后的维氏硬度值。实验结果表明Ti元素含量不会显著影响合金粉样品的球磨过程。当样品中不含Ti元素时，合金粉球磨过程尺寸最大值出现的时间向后推迟。在退火过程中ODS钢中的氧化物析出相逐渐析出形成，以与基体共格的团簇类析出相及具有固定晶体结构的氧化物相为主。随着退火时间的延长，析出相逐步合并长大，与基体共格的团簇类析出相有彼此合并转变为具有固定晶体结构氧化物相的趋势。且退火温度越高样品中析出相的分布密度越低。当Y、Ti原子为0.4时，1000℃退火2h可以获得最多的团簇类析出相。当Y、Ti原子为1.0时，900℃退火1h可以获得最多的具有固定晶体结构的氧化物析出相。小角度中子散射实验结果也证明在Y、Ti原子为1.0的样品中具有固定晶体结构的氧化物析出相具有最高的分布密度。向合金中添加Ti元素，样品中的团簇类析出相和具有固定晶体结构的氧化物相的分布密度都会增加，证明Ti元素细化ODS钢中析出相、提高析出相分布密度的作用。样品中氧化物析出相的种类也会随着Ti元素的加入而改变，由原来的氧化钇转变为具有烧绿石结构的Y2Ti2O7相。X射线吸收精细结构谱实验结果也表明，当添加Ti元素后，样品中Y、O元素的存在形式发生改变。