核用ODS-高熵合金中纳米氧化物的形成机制与调控研究

Advanced fast neutron reactors require high performance fuel cladding materials with superior radiation tolerance and high temperature strength. High-entropy alloys (HEA) exhibit lower radiation swelling while oxide dispersion strengthening (ODS) endows ODS steels with better high-temperature creep strength and radiation tolerance. The ODS-HEAs with both characteristics are regarded as the important candidate materials of fast reactor fuel cladding. The development of ODS-HEAs is still in the very early stage. The characteristic, formation, evolution and key influence factors of nanoscale oxides in ODS-HEAs are unveiled so far, which restrict the further improvement of ODS-HEAs. In this proposal, ODS low-, medium- and high-entropy alloys will be prepared by mechanical alloying and hot isostatic pressing. The microstructure of matrix and nanoscale oxides will be characterized by Cs-corrected HRTEM, HAADF, EDS-mapping, XRD and SAXS technologies. The relationships of composition (including component elements, mirror element addition, Y2O3 addition), proceeding parameters, microstructure and mechanical properties will be explored. The influences of nanoscale oxides on high temperature stability, formation & distribution of He bubbles, corrosion in liquid PbBi alloy will be investigated. This research will be helpful for developing advanced fuel cladding materials.

快堆的发展急需具有优异抗辐照耐高温性能的燃料包壳材料。高熵合金展示了优异的抗辐照肿胀能力，而氧化物弥散强化（ODS）赋予ODS钢优异的高温蠕变强度和良好的抗辐照损伤能力，兼具这两种结构特征的ODS-高熵合金遂成为快堆包壳材料重要发展方向。相关研究刚起步，对性能至关重要的高熵合金中纳米氧化物特征、形成与演化及关键影响因素等均未阐明，是制约此类合金结构优化与性能提升的瓶颈。本申请拟用机械合金化+热等静压法制备ODS-低熵、中熵和高熵系列合金，用球差HRTEM、HAADF、EDS-mapping、XRD和SAXS等多种技术，多层次、多角度地揭示其基体结构和纳米氧化物特征及与基体主元元素、微量元素添加、Y2O3添加量、制备工艺参数、力学性能间的本征关系，阐明ODS-高熵合金中纳米氧化物特征对其高温稳定性、氦泡形成演化和合金在液态铅铋合金中腐蚀行为的影响，提供发展高性能快堆材料基础信息。

多主元高熵合金由于存在晶格畸变效应、迟滞扩散效应、高熵效应和鸡尾酒效应使其在力学性能、辐照稳定性、热稳定性等方面存在突出的性能优势，已成为核能、航空、航天用耐高温抗辐照结构部件的重要候选材料。氧化物弥散强化（ODS）高熵合金在多主元合金的基础上引入弥散分布的纳米尺寸氧化物颗粒，有望进一步提高高熵合金的高温强度和抗辐照能力，但对性能至关重要的纳米氧化物的形成与控制机制尚未阐明。本项目采用基于机械合金化的粉末冶金工艺成功制备出一系列ODS-低/中/高熵合金，包括ODS-Ni/Fe基低熵合金、ODS-CrFeNi中熵合金、ODS-CoCrFeNi/CoCrFeNiMn/AlCrFeNi高熵合金等，成功制定出上述系列合金材料的制备工艺路线并确定了关键参数。研究发现随着主元数的增加（从低熵到中熵和高熵合金），氧化物形成元素在基体中的固溶度增加，为形成必要密度的纳米氧化物需要添加更多氧化物形成元素；改变氧化物形成元素的种类（如Ti、Zr、Hf、Al等）或同时添加两种氧化物形成元素，均可显著改变纳米氧化物的特征如种类、结构、尺寸、密度等，进而影响晶粒的尺寸、力学性能、抗氧化/耐腐蚀能力等。项目揭示了ODS-CrFeNi系中、高熵合金中纳米氧化物的形成与控制的机制，阐明了合金制备工艺-微观结构-性能间的内在关系，为发展高性能耐高温抗辐照耐腐蚀的核用新结构材料提供了坚实的材料学基础。