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fe-cr-al合金退火过程中组织和性能的演变

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材料热处理学报 2013年第7期34卷 53-57页

作者：刘胜米振莉唐荻江海涛焦竞仪北京科技大学高效轧制国家工程研究中心北京100083

采用电子背散射衍射技术(EBSD)对fe-cr-al合金在退火过程中的组织演变规律进行了研究,分析了退火时间对晶界分布、微观织构和性能的影响。结果表明:退火初期合金组织发生回复过程,晶界以小角晶界为主,织构为典型的立方晶体形变织构{001}... 详细信息

采用电子背散射衍射技术(EBSD)对fe-cr-al合金在退火过程中的组织演变规律进行了研究,分析了退火时间对晶界分布、微观织构和性能的影响。结果表明:退火初期合金组织发生回复过程,晶界以小角晶界为主,织构为典型的立方晶体形变织构{001};退火时间在3～15 min内,组织发生再结晶,大角晶界急剧增加,织构转变为{111}和{111};退火时间超过15 min后,合金的{111}织构组分减弱,而{001}织构组分增强。随着退火时间的延长,断后伸长率和塑性应变比(r值)先增大后减小,退火时间在15 min时断后伸长率和r值都达到最大值,分别为19.6%和1.23。r值与{111}/{001}织构强度的比值有很好的对应关系。

关键词： fe-cr-al合金组织演变 EBSD r值

fe-cr-al合金氧化膜形成机理电子理论研究

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物理学报 2009年第9期58卷 6441-6445页

作者：张国英张辉方戈亮罗志成沈阳师范大学物理科学与技术学院沈阳110034

通过自编软件建立了fe-cr-al合金表面、氧化膜/基体界面模型,采用递归法计算了合金元素在fe-cr-al合金表面、氧化膜/基体界面的环境敏感镶嵌能、亲和能、结合能、态密度等电子结构参数.从电子层次系统研究了fe-cr-al合金氧化膜的形成机... 详细信息

通过自编软件建立了fe-cr-al合金表面、氧化膜/基体界面模型,采用递归法计算了合金元素在fe-cr-al合金表面、氧化膜/基体界面的环境敏感镶嵌能、亲和能、结合能、态密度等电子结构参数.从电子层次系统研究了fe-cr-al合金氧化膜的形成机理、稀土元素和杂质硫对氧化膜形成过程及黏附性的影响机理.研究表明fe-cr-al合金中al的偏聚驱动力远大于Y,cr.氧化初期氧从合金表面向合金内部扩散,合金内部al向合金表面扩散,使合金形成富铝、氧表面层;氧与al间的亲和力较大(亲和能低),氧原子容易与al结合生成al2O3保护膜;合金中加入Y后,Y在合金表面偏聚,抑制al向合金表面扩散,氧化膜的横向生长得到有效控制,从而避免氧化膜皱褶形貌的发生,提高氧化膜的黏附性;合金内部的S通过扩散汇集在基体/氧化膜界面,S使界面区原子的总能增高,总态密度降低,减小了界面的稳定性,进而削弱氧化膜与合金基体的结合力.

关键词：电子结构高温氧化 fe-cr-al合金

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fe-cr-al合金纳米析出相的相场研究

Fe-Cr-Al合金纳米析出相的相场研究

作者：陈实南京理工大学

学位级别：硕士

fe-cr-al合金具有良好的耐腐蚀、耐辐照以及抗氧化能力,正在被开发为第四代核反应堆的结构材料,同时还被考虑应用于耐事故燃料包壳。但fe-cr基合金在300～500°C范围内长时间时效时,基体相会分离为富fe的α相和富cr的α′相,导致合金的... 详细信息

fe-cr-al合金具有良好的耐腐蚀、耐辐照以及抗氧化能力,正在被开发为第四代核反应堆的结构材料,同时还被考虑应用于耐事故燃料包壳。但fe-cr基合金在300～500°C范围内长时间时效时,基体相会分离为富fe的α相和富cr的α′相,导致合金的脆性增加,严重影响合金的使用寿命和安全性。而时效温度及元素浓度决定α′相的连续分离过程,纳米尺度α′相的微观形貌演化以及连续分离动力学对合金力学性能的预测有参考价值。本文基于Cahn-Hilliard扩散方程,建立了与fe-cr-al合金成分场相关的相场模型,研究了时效温度、cr元素浓度以及梯度能对α′相分离的影响,并通过合金显微硬度随时效时间的变化,建立了力学性能和微观组织动力学之间的关系。此外,还结合TEM组织验证了相场模拟所得到的α′相微观形貌的合理性。al元素会强烈偏聚到α相中,α′相的粗化机制为奥斯瓦尔德熟化和连接粗化。10 at.%al的加入会抑制fe-25 at.%cr合金的硬度增量,但会促进fe-（30,40）at.%cr合金的硬度增量。随着时效温度的上升,fe-38 at.%cr-10 at.%al合金中α′相的成分和体积分数变化率、粗化率以及颗粒间距都增大,而颗粒数密度的变化率减小。在720～760 K温度范围内,α′相的主要粗化方式为奥斯瓦尔德熟化。随着cr元素浓度的升高,α′相的体积分数变化率和粗化率加快,而颗粒间距减小。fe-（25,30,35）at.%cr-10 at.%al合金中α′相的平均颗粒间距由早期的下降转变为长大粗化阶段的上升。此外,α′相平均颗粒半径的时间指数由长大粗化阶段接近0.3转变为后期粗化阶段小于0.3。750 K时效温度下,在fe-25 at.%cr-10 at.%al合金的α/α′相界面处形成贫cr富al区域。随着梯度能的增大,fe-28 at.%cr-10 at.%al合金中α′相成分的变化率、α/α′相界面的宽度、颗粒的粗化率以及颗粒数密度的变化率都增大,而体积分数的变化率减小。

关键词： fe-cr-al合金相分离动力学相场模拟

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fe-cr-al合金的耐腐蚀性能研究

Fe-Cr-Al合金的耐腐蚀性能研究

作者：张健能哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

传统压水堆包壳材料锆合金在高温下易与水蒸汽发生剧烈化学反应,伴随着放热并产生氢气,福岛的核事故爆炸便来源于此。作为一种新型的事故容错安全包壳材料,fe-cr-al合金近年来受到了广泛的关注,fe-cr-al合金不仅具有高的强度和韧性,还... 详细信息

传统压水堆包壳材料锆合金在高温下易与水蒸汽发生剧烈化学反应,伴随着放热并产生氢气,福岛的核事故爆炸便来源于此。作为一种新型的事故容错安全包壳材料,fe-cr-al合金近年来受到了广泛的关注,fe-cr-al合金不仅具有高的强度和韧性,还有良好的耐高温氧化性能。核反应堆包壳材料长期处于高温、高压、腐蚀及粒子辐照的极端水化学环境下,其耐腐蚀性能是满足应用的首要问题。目前对于fe-cr-al合金的腐蚀性能报道相对较少,al和cr元素对腐蚀机制的影响尚不清楚。运用数值模拟计算可以方便的研究合金腐蚀行为,还可以预测合金的长期腐蚀结果。因此,本文结合模拟计算和实验来研究fe-cr-al合金的耐腐蚀性能以及合金元素al、cr含量对fe-cr-al合金耐腐蚀性能的影响。利用COMSOL和FLUENT软件模拟并计算了fe在酸碱溶液环境下的电化学腐蚀情况,发现在酸性条件下,H充当去极化剂腐蚀fe,pH值越小,体系腐蚀电流密度越大,腐蚀越快,在碱性条件下的去极化剂是O,高pH值下fe会形成络合物,随着pH值的增加,体系腐蚀电流密度先缓慢增加,后迅速增加,fe的腐蚀加剧,酸性溶液中fe的腐蚀速度远大于碱性溶液;流体流速对fe腐蚀的影响主要是形成应力腐蚀,温度和氧浓度对fe的腐蚀影响很大,随着温度和氧浓度的增加,fe腐蚀速度大大提升。对pH为7.2,氧浓度为0.05mol/L,温度为400K,流体流速为的0.5m/s的耦合场溶液中fe-cr-al合金进行了腐蚀模拟沉积预测,发现富al区腐蚀非常迅速,腐蚀产物主要沉积在平衡电位较低的al及其周围,cr受al的腐蚀沉积的影响,腐蚀也较为严重,基体fe受到了电极电位更负的cr和al的保护,受腐蚀情况不大,al含量的增加使得腐蚀产物沉积分布更为均匀,提升了合金的耐蚀性,cr含量的增加能提升腐蚀产物在fe表面的沉积,从而提高合金整体的耐蚀性。在模拟条件下,合金表面整体变形很小,fe-cr-al合金具有良好的耐腐蚀性能。fe-cr-al合金在200mlHO+0.55ml浓HSO+3gfeCl的酸性溶液条件下腐蚀性能很差,fe-12cr-2al在浸泡120h后的最大腐蚀速率为25.913mm/a,表面存在沿晶粒开裂的裂纹,裂纹深度达mm级别,通过对合金表面的XPS分析,合金的腐蚀产物以alO和crO为主,存在少量的fe、cr复杂氧化物,随着al、cr含量的增加,合金表面的氧化膜增多,合金的腐蚀速率明显减慢,耐腐蚀性能增强,当al含量达到fe-12cr-6al时合金的腐蚀深度已不足50nm;fe-cr-al合金在pH=7.2的LiOH+HBO溶液中腐蚀性能良好,浸泡360h后合金表面仍具有金属光泽,fe-cr-al合金在弱碱性溶液中体现了良好的耐腐蚀性能。al、cr对fe-cr-al合金腐蚀的影响机制相同,都是形成氧化物覆盖在合金表面,阻止合金和腐蚀液的直接接触,al的氧化膜比cr更容易形成,因此al含量的改变对体系在溶液中的腐蚀电流密度的影响更大,在所研究的成分范围内,al对fe-cr-al合金腐蚀性能的影响比cr更大。

关键词： fe-cr-al合金电化学腐蚀数值模拟溶液环境腐蚀沉积

fe-cr-al合金界面强化机理的第一性原理研究

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Fe-Cr-Al合金界面强化机理的第一性原理研究

作者：唐杰沈阳师范大学

学位级别：硕士

fe-cr-al合金是唯一能够长期在1000℃以上高温环境中工作的金属材料,最高工作温度可达到1300℃。这主要取决于高温下合金表面形成的连续致密且粘着性良好的氧化铝膜,能够有效保护合金基体。虽然fe-cr-al合金具有良好的抗氧化性能,但高... 详细信息

fe-cr-al合金是唯一能够长期在1000℃以上高温环境中工作的金属材料,最高工作温度可达到1300℃。这主要取决于高温下合金表面形成的连续致密且粘着性良好的氧化铝膜,能够有效保护合金基体。虽然fe-cr-al合金具有良好的抗氧化性能,但高温环境中,在金属/氧化膜界面处容易发生界面层脱,继而引起整个氧化膜的剥落,导致整个材料系统失效。因此,研究氧化膜剥落的诱导因素以及如何有效提高氧化膜的粘附性从而增强金属/氧化膜界面的结合强度,是fe-cr-al合金研究的关键。本文研究了杂质S在界面的偏聚和活性元素(La、Ce、Y、Hf)的掺杂对界面结合强度的影响。所有计算工作均利用MS6.0软件的CASTEP模块完成,此模块是基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法。经过计算界面结合能可知,纯净界面的界面结合能为-10.01787e V,S在界面偏析后界面结合能为-5.04387e V,这说明S的界面偏析降低了界面的稳定性。再通过比较S在界面不同位置的界面偏析能,就可以确定杂质S的偏析路径。从态密度图和键的布居值来看,杂质S的界面偏析引起fe与O态密度峰的重叠度急剧下降,S-O的单位键长的布居值较之fe-O发生不同程度的减小,严重削弱了界面处的成键作用,导致界面结合强度下降。掺杂活性元素(La、Ce、Y、Hf)后,计算可知,活性元素(RE)的界面偏析能小于S的,即RE的界面偏析能力大于S。分析态密度和键的布居值(P)发现,fe-O的P值均增大,La-O和Ce-O的P值降低,Y-O和Hf-O的P值增大,这说明Y和Hf能增强界面处原子间的相互作用,但无法得出La和Ce也提高界面结合强度的结论。在fe基体中,La-S和Ce-S的P值为负值,Y-S和Hf-S的P值非常大,这表明La-S和Ce-S成反键状态,Y-S和Hf-S之间则形成相互作用很强的共价键。Y和Hf在基体内能有效钉扎S,阻碍了S向界面偏析。因此,作为合金化元素添加的活性元素,其界面强化机理主要包括两方面:(1)直接参与fe/al2O3界面的化学成键;(2)在fe基体中有效钉扎杂质S,抑制S向界面的有害偏聚。

关键词： fe-cr-al合金第一性原理活性元素界面结合强度

fe-cr-al合金高温氧化及磨损行为研究

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Fe-Cr-Al合金高温氧化及磨损行为研究

作者：陈毅光吉林大学

学位级别：硕士

本文选用了fe-cr-al合金为研究对象,开展了fe-21.3cr-3.5al合金1220-1340℃温度范围内3h条件下的恒温氧化试验以及1280℃下的连续氧化试验,同时探讨C元素和al元素对fe-cr-al合金高温氧化的影响。采用扫描电镜、X射线衍射分析和EDS能谱... 详细信息

本文选用了fe-cr-al合金为研究对象,开展了fe-21.3cr-3.5al合金1220-1340℃温度范围内3h条件下的恒温氧化试验以及1280℃下的连续氧化试验,同时探讨C元素和al元素对fe-cr-al合金高温氧化的影响。采用扫描电镜、X射线衍射分析和EDS能谱分析等多种测试手段、研究了氧化温度、氧化时间和元素成分对fe-cr-al合金氧化膜的形貌特征、氧化层厚度、硬度以及磨损性能的影响,探究高温氧化过程和高温氧化机理。试验结果表明,随着氧化温度的升高,fe-21.3cr-3.5al合金的氧化增重呈现阶梯式上升,氧化层主要由alO和少量的Zr O、feO构成,在1220-1340℃范围内,氧化表面的Zr O持续增加,alO含量先增加后下降,在1260℃时alO含量达到最高。随着温度的升高,alO含量降低,feO含量开始增多。fe-21.3cr-3.5al合金在1280℃以下,抗氧化能力良好,1300℃以上抗氧化能力出现不稳定性。关于氧化层的厚度,1260℃时氧化层最均匀,1280℃时氧化膜厚度较大和较为均匀,在1300℃以上的温度时,氧化膜又逐渐变得不均匀。随氧化处理温度升高,氧化层硬度呈现增加趋势,fe-21.3cr-3.5al合金的磨损机制为磨粒磨损和氧化膜的剥落。随着氧化温度的升高,氧化层耐磨性提高,1280℃时磨损率最低,1320℃下的氧化层磨损时,发生部分剥落。通过氧化层厚度和磨损性能的比较,fe-21.3cr-3.5al合金与KCF材料性能相当。fe-21.3cr-3.5al合金在1280℃下氧化1-5h,氧化动力曲线遵循幂函数曲线规律。氧化初期,alO的含量显著增加,3h后的氧化表面alO的含量基本保持稳定。随着氧化时间的增加,氧化层厚度和硬度也随之增加。设计不同元素成分的fe-cr-al合金,主要研究C和al元素对fe-cr-al合金的影响,其中研究C元素的范围在0.0068%-0.036%,al元素范围在2.4%-3.2%。在1260℃和1280℃下进行3h的恒温氧化,结果表明C元素的增加会显著降低fe-cr-al合金的抗氧化能力,al元素的增加会显著提高fe-cr-al合金的抗氧化能力。随着C含量的增加,fe-cr-al合金的金相组织,铁素体晶粒形状发生变化,C含量的增加导致氧化后剥落现象越来越明显,氧化增重也越来越大。在1260℃和1280℃下氧化3h时,C含量为0.0068%时,氧化膜表面以氧化铝为主。C含量为0.022%时,氧化膜表面以氧化铁为主,C含量为0.036%时,在1260℃时氧化膜表面以氧化铬为主,在1280℃时氧化膜表面以氧化铁为主。通过氧化层分析,随着C含量的升高,氧化层的厚度逐渐升高,氧化膜硬度逐渐降低。通过氧化层分析,随着al含量的增加,可以促进fe-cr-al合金形成更多的氧化铝,大大提高合金的抗氧化能力,氧化层的厚度逐渐降低,氧化层的硬度逐渐增加。

关键词： fe-cr-al合金 al2O3 抗氧化能力磨损氧化层

事故容错燃料包壳fe-cr-al合金α-α′相分离的研究进展

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材料热处理学报 2021年第7期42卷 13-19页

作者：戴学峰林晓冬张杰姚美意胡丽娟谢耀平上海大学材料研究所上海200072

2011年日本福岛核事故后,国内外研究者迫切希望开发出能够代替传统Zr合金的包壳材料,以提升核反应堆的事故容错能力。fe-cr-al合金因具有良好的加工性能、较好的抗辐照性能、优良的抗高温氧化性能和耐常规腐蚀性能等优点,成为事故容错燃... 详细信息

2011年日本福岛核事故后,国内外研究者迫切希望开发出能够代替传统Zr合金的包壳材料,以提升核反应堆的事故容错能力。fe-cr-al合金因具有良好的加工性能、较好的抗辐照性能、优良的抗高温氧化性能和耐常规腐蚀性能等优点,成为事故容错燃料(ATF)包壳的候选材料之一。然而,现有的fe-cr-al合金仍难以满足核反应堆包壳材料的性能要求,其中fe-cr-al合金的α-α′相分离始终是制约其发展的关键因素。本文综述了近年来国内外有关fe-cr-al合金在热时效或辐照条件下发生α-α′相分离的研究现状,分析了引起α-α′相分离的主要原因,提出了目前α-α′相分离研究存在的问题以及未来主要的研究方向。

关键词：事故容错燃料 fe-cr-al合金相分离热时效辐照

硼含量对fe-cr-al合金高温氧化层结构的影响

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金属热处理 2017年第8期42卷 77-81页

作者：范金席胡显军鲍丙辉承龙江苏省(沙钢)钢铁研究院江苏张家港215625

以添加不同硼含量的fe-cr-al合金为试验材料,在1220℃下热处理之后,采用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析等方法,研究硼含量对fe-cr-al合金在1220℃下氧化层结构的影响。结果表明,当不含硼时,合金氧化层由外层fe_2O_3,内层为(fe_(0.6)cr_(... 详细信息

以添加不同硼含量的fe-cr-al合金为试验材料,在1220℃下热处理之后,采用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析等方法,研究硼含量对fe-cr-al合金在1220℃下氧化层结构的影响。结果表明,当不含硼时,合金氧化层由外层fe_2O_3,内层为(fe_(0.6)cr_(0.4))_2O_3、(al_(0.9)cr_(0.1))_2O_3两层氧化层构成;硼含量为8×10^(-6)时,合金氧化层由外层fe_2O_3、(fe_(0.6)cr_(0.4))_2O_3,内层(al_(0.9)cr_(0.1))_2O_3两层氧化层构成;硼含量为18×10^(-6)时,合金氧化层由多层氧化层转变为单层al2O3层,且局部区域发生氧化失稳,生成瘤状氧化层,存在贯穿性微裂纹。因此为了保证1220℃下合金不生成瘤状氧化层,硼的添加量不应超过8×10^(-6)。

关键词： fe-cr-al合金硼两层氧化层 al2O3层瘤状氧化层微裂纹

真空感应炉熔炼fe-cr-al合金al含量控制工艺

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真空科学与技术学报 2019年第2期39卷 150-154页

作者：刘建民严祥胡显军江苏省(沙钢)钢铁研究院张家港215625

研究了150 kg真空感应炉熔炼fe-cr-al合金al含量控制工艺。设计了四个熔炼方案,研究了al合金加入前炉内压力及钢液温度、随炉C加入量、fe-cr-al合金返回料的使用对al收得率的影响。结果表明,随炉C量为0.01%且al在炉内压力为30 Pa、钢液... 详细信息

研究了150 kg真空感应炉熔炼fe-cr-al合金al含量控制工艺。设计了四个熔炼方案,研究了al合金加入前炉内压力及钢液温度、随炉C加入量、fe-cr-al合金返回料的使用对al收得率的影响。结果表明,随炉C量为0.01%且al在炉内压力为30 Pa、钢液温度为1500℃的条件下加入收得率可达97.4%;全fe-cr-al合金返回料熔炼,返回料中al收得率可达95.6%。

关键词：真空感应炉 fe-cr-al合金 al 收得率