电场辅助烧结稀土氧化物弥散强化Fe-Cr-Mo合金

Fe-Cr-Mo基氧化物分散强化合金通过机械合金化和电场辅助烧结制备，揭示了La?O?对纳米颗粒密度及抗拉强度的提升作用，证实电场辅助烧结可有效细化晶粒并增强材料性能。

　　

索海尔·沙阿（Sohail Shah）|张新昌（Xinchang Zhang）|贾娜·霍华德（Jana Howard）|孙成（Cheng Sun）|邵林（Lin Shao）|约根·鲁夫纳（Jorgen Rufner）|穆克什·巴查夫（Mukesh Bachhav）

美国爱达荷州爱达荷福尔斯市的爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory），邮编83415

摘要

氧化物弥散强化（ODS）合金因其卓越的高温强度、抗蠕变性能和辐射耐受性而广受认可，使其在先进核反应堆、航空航天和能源系统中不可或缺。实现氧化物纳米颗粒的精细且稳定的分散至关重要，因为这些颗粒能够有效阻碍位错运动，并成为辐照诱导缺陷的吸收剂，从而确保在极端条件下的结构完整性。在本研究中，通过机械合金化制备了基于Fe–Cr–Mo的ODS合金，并使用电场辅助烧结（EFAS）技术结合Y₂O₃、La₂O₃和CeO₂进行了固结处理。EFAS工艺产生了超细晶粒结构（平均晶粒尺寸<1 μm），其中氧化物团簇均匀分布（2–4 nm）。原子探针断层扫描显示，含有La₂O₃的合金具有最高的纳米颗粒数密度，从而表现出比含氧化钇和氧化铈的合金更优异的拉伸强度。晶粒细化和稀土氧化物弥散的综合作用显著提升了机械性能，证明了EFAS技术在开发适用于核系统等苛刻环境的高强度铁素体合金方面的潜力。

引言

氧化物弥散强化（ODS）铁素体/马氏体（F/M）合金的发展因其优异的高温强度特性而在核工业和化学工业中受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在各种ODS合金中，Fe-Cr-Mo体系由于具有出色的抗氧化性和机械性能而显示出巨大的应用潜力[6]、[7]。这类材料的特征是在金属基体中均匀分布着细小稳定的氧化物颗粒，这使得它们比传统合金具有更高的强度、抗蠕变性能和热稳定性[8]。Fe-Cr-Mo ODS合金的传统制备方法包括机械合金化，随后通过热挤压（Figure 1a）、热等静压（HIP，Figure 1b）和火花等离子烧结等技术进行固结。固结工艺对控制ODS合金的晶粒结构、密度和氧化物弥散的稳定性起着关键作用。HIP和热挤压等传统技术被广泛用于ODS合金的加工[9]、[10]、[11]。HIP通过同时施加高温和等静压气体来实现粉末的固结，促进孔隙闭合和均匀致密化；热挤压则通过将粉末坯料在高温下通过模具挤压来实现固结和成形，从而细化晶粒并改善材料结合性能[12]、[13]。 SPS（也称为电场辅助烧结（EFAS）或场辅助烧结技术（FAST，如图1c所示）作为一种更快速的固结方法，利用电流（脉冲或连续，交流或直流）在单轴压力下快速加热粉末 compact，从而缩短烧结时间并保持细小微观结构的完整性[14]、[15]。在SPS/EFAS过程中，致密化主要是由工具和粉末的焦耳热效应驱动的，所施加的电场根据材料系统的不同起到主导或辅助作用[16]、[17]、[18]、[19]。该方法通过快速加热样品和模具来促进致密化过程，同时保持氧化物颗粒的精细分散。深入理解氧化物颗粒的分布和化学性质对其机械性能的影响对于针对特定应用定制这些材料至关重要。原子探针断层扫描（APT）能够提供关于不同加工条件下颗粒稳定性和演变情况的关键信息，从而实现基于数据的制造参数优化，以提升合金性能[20]。 稀土（RE）金属氧化物的弥散特性特别吸引人，因为它们在高温下具有热力学稳定性，并且在铁基材料中的溶解度极低[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。在本研究中，我们旨在通过添加Y₂O₃、La₂O₃和CeO₂来制备含稀土的ODS合金，并研究通过EFAS制备的合金的微观结构和机械性能。通过结合原子探针断层扫描和其他表征技术，我们试图阐明纳米氧化物颗粒的特性及其对合金性能的影响。这种综合方法将有助于推动ODS合金技术的发展，为高温和辐射密集型环境中的更坚固可靠的材料奠定基础。

原料与样品制备

本研究的起始原料为Goodfellow Cooperation（美国宾夕法尼亚州）提供的Fe（纯度>99.0%，粒径<10 μm）、Cr（纯度>99.0%，粒径<38 μm）和Mo（纯度>99.9%，粒径<5 μm）元素粉末。此外，还购买了高纯度的纳米级氧化钇（Y₂O₃）（30-45 nm）、氧化镧（La₂O₃）（10-100 nm）和氧化铈（CeO₂）（10-30 nm）粉末，用于与Fe-Cr-Mo粉末混合制备ODS合金。合金的名义组成为Fe-12Cr-1Mo-0.3X（X = Y₂O₃、La₂O₃和CeO₂）。

微观结构

使用EBSD技术研究了制备好的合金及三种氧化物样品的微观结构，以观察晶粒的形状和尺寸。晶粒取向通过标准倒极图三角形中的颜色映射来表示，如图3所示。晶界倾角大于15°的被认为是高角度晶界。如图3a所示，制备好的样品主要由等轴晶粒组成，晶粒取向基本随机。

结论

总结来说，通过机械合金化并结合电场辅助烧结工艺，制备了添加了Y₂O₃、La₂O₃和CeO₂的Fe-Cr-Mo基ODS钢。采用扫描电子显微镜、电子背散射衍射和原子探针断层扫描技术进行了微观结构研究，并通过室温下单轴拉伸试验测定了相应的拉伸性能，以验证材料的机械强度。可以得出以下结论：

CRediT作者贡献声明

索海尔·沙阿（Sohail Shah）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论研究、数据分析、概念化。 孙成（Cheng Sun）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、方法论研究、资金申请、概念化。 邵林（Lin Shao）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资源协调、数据分析、概念化。 约根·鲁夫纳（Jorgen Rufner）：项目指导、方法论研究。 张新昌（Xinchang Zhang）：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、数据分析。

未引用参考文献

[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]、[77]、[78]。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项目由爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）的实验室指导研发（LDRD）项目资助，该项目隶属于美国能源部（DOE）的爱达荷运营办公室（Idaho Operations Office），合同编号为DE-AC07-05-ID14517。孙成（C. Sun）还获得了美国核管理委员会（NRC）的杰出教师发展资助（奖项编号：31310024M0037）的支持。