《Y2Ti2O7納米顆粒對含鋁ODS鋼微觀結構和力學行為的作用機理》是依託北京航空航天大學，由劉彤擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：Y2Ti2O7納米顆粒對含鋁ODS鋼微觀結構和力學行為的作用機理
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：劉彤
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氧化物彌散強化鋼（ODS鋼）具有優異的高溫蠕變強度和抗輻照性能，是新一代核反應堆的重要候選結構材料。添加鋁能夠提高ODS鋼的耐蝕性能，但鋁在ODS鋼製備過程中首先與鋼中的Y2O3反應生成易長大的Y-Al-O複合氧化物，阻止了鈦與Y2O3形成細小而穩定的Y-Ti-O納米顆粒，導致強化效果降低。申請人前期通過添加納米Y2Ti2O7以替代Y2O3，在含鋁ODS鋼中成功獲得Y2Ti2O7納米彌散相，有效抑制了Y-Al-O相產生，顯著提高了彌散強化效果。本項目擬進一步研究ODS鋼製備過程中Y2Ti2O7的結構和尺寸演變規律，確立氧化物與ODS鋼基體的界面關係，揭示Y2Ti2O7納米顆粒的形核和長大機制及其抑制Y-Al-O相產生的機理；研究ODS鋼的基體微觀結構、氧化物尺寸及結構與力學行為的相關性，闡明納米Y2Ti2O7對ODS鋼微觀結構和力學行為的作用機理，為研發高強含鋁ODS鋼奠定理論和實驗基礎。
結題摘要
氧化物彌散強化鋼（ODS鋼）具有優異的高溫蠕變強度和抗輻照性能，是新一代核反應堆的重要候選結構材料。添加鋁能夠提高ODS鋼的耐蝕性能，但鋁在ODS鋼製備過程中首先與鋼中的Y2O3反應生成易長大的Y-Al-O複合氧化物，阻止了Ti與Y2O3形成細小而穩定的Y-Ti-O納米顆粒，導致強化效果降低。本項目採用氫等離子金屬反應法製備出Y-Ti氫化物納米顆粒，隨後將其在900°C焙燒1h，成功製備出了高分散度的Y2Ti2O7納米顆粒。由於焙燒溫度和時間顯著低於傳統固相反應溫度，因此顆粒尺寸仍然保持在納米尺度（70 nm），並揭示了複合納米氧化物的形成機理。將複合氧化物Y2Ti2O7納米顆粒直接添加到基體中製備了模型合金粉末和含Al的ODS鋼，發現經過96h球磨後Y2Ti2O7納米顆粒沒有發生分解或固溶於基體之中，而是尺寸逐漸減小並趨於發生非晶態轉變。添加Y2O3納米顆粒的ODS鋼中的彌散相為YAlO3，平均尺寸為17.1nm，它與基體形成非共格界面。而新型添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS鋼中的彌散相為Y2Ti2O7，沒有發現Y-Al-O存在，同時Y2Ti2O7平均顆粒尺寸僅為7～8nm。Y2Ti2O7與ODS鋼基體保持半共格界面關係，[400]Y2Ti2O7 || [110]αFe 和[440]Y2Ti2O7 || [020]αFe。這是由於熱成形過程中亞穩態Y2Ti2O7團簇優先在基體的(110)和(200)晶面形核並長大為fcc-Y2Ti2O7納米顆粒，從而與基體保持良好的相界面關係。這些超細Y2Ti2O7納米顆粒有效地提高了ODS鋼的綜合力學性能。隨著Y2Ti2O7添加量從0.2wt%增加到0.6wt%，拉伸斷裂強度從1238MPa增大到1296MPa，都遠高於添加Y2O3的ODS鋼（949MPa）。ODS鋼強度差異主要取決於彌散相強化效果，與添加Y2O3的ODS鋼相比，添加Y2Ti2O7的ODS鋼中氧化物的數密度更大，氧化物間距大大減少，強化效果更大。同時，Y2Ti2O7和基體間的半共格界面也有效地阻止了氧化物附近微裂紋的形成，進一步提升了強化作用。最終闡明了添加納米Y2Ti2O7對ODS鋼微觀結構和力學行為的作用機理，為研發高強含鋁ODS鋼奠定了理論和實驗基礎。
