[发明专利]一种具有双重异质结构的FeCrAl基合金及其制备方法

说明书

本发明提供的一种具有双重异质结构的FeCrAl基合金及其制备方法，按照质量百分比，所述合金的成分包括：铬：12～15％，铝：4～5％，钼：1～4％，铌：0.5～3％，硅：0.1～2％，杂质含量≤0.2％，余量为铁。所述FeCrAl基合金的制备路线包括(1)将锻造态的FeCrAl基合金进行低温不完全固溶处理，以保留一定量的可变形微米第二相。(2)进行轧制变形，在合金中形成高密度位错。(3)对此合金进行更低温度的时效处理，利用轧制形成的高密度位错为Laves第二相析出提供形核位点，配合恰当的成分设计，以得到与基体界面错配度极低的高密度纳米第二相。异质Laves第二相对轧制铁素体基体的再结晶起到抑制作用，从而获得了片层状晶粒和等轴状晶粒的异质结构。以本发明制备的FeCrAl基合金在保证合金屈服强度≥1011MPa，抗拉强度≥1197MPa时，延伸率仍≥12.8％。

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种具有双重异质结构的FeCrAl基合金及其制备方法。

背景技术

锆合金是目前商用反应堆核燃料元件唯一采用的包壳材料，然而日本福岛核事故却暴露出锆合金的致命缺陷，即锆合金会和高温冷却水反应放出大量热量和氢气，引发爆炸。因此，围绕研发具有优良的耐高温氧化能力，高温强度的下一代核包壳材料即耐事故包壳材料，国内外开展了大量的工作。

在众多候选材料中，FeCrAl合金因其含有的Al元素能够迅速在样品表面形成致密的Al₂O₃氧化膜，阻止内部合金基体与膜外的氧气、腐蚀性液体结合，同时Cr元素也能起到稳定Al₂O₃氧化膜的作用，因而FeCrAl合金具有优良的耐高温水蒸气氧化能力、耐腐蚀性能及良好的抗辐照性能。同时，由于FeCrAl合金管材制备工艺的技术成熟度和经济性，使其成为最有前景的耐事故包壳材料之一。然而，FeCrAl合金的中子吸收截面是锆合金的～10倍，为减少反应堆内中子的损失，FeCrAl合金包壳管的壁厚须减少至0.3mm～0.4mm,这给FeCrAl合金包壳管的力学性能提出了严苛要求。在FeCrAl合金中添加微量元素起到固溶强化或沉淀强化的作用，是一条行之有效的策略。Zhang yiyong在文章《Effects of annealingtemperature on the microstructure,textures and tensile properties of cold-rolled Fe–13Cr–4Al alloys with different Nb contents》(Materials Science andEngineering A,2020,798(3):140236)中通过Nb元素使得合金在再结晶退火后生成了Fe₂Nb类Laves第二相，添加1％Nb后的合金在900℃再结晶退火后的抗拉强度达到了617.6MPa，较未添加之前的486.5MPa，增加了26.9％。但第二相主要以大颗粒形式分布在晶界附近，Laves第二相的沉淀强化作用没有得到充分发挥。同时，已往研究表明Laves第二相通常具有较强的脆性，成为合金变形过程中的裂纹源，不利于合金塑性提高。因此，需要开发一种新的FeCrAl基合金及其热机械加工工艺使得粗大Laves第二相具有一定的塑性变形能力，而且纳米级的Laves第二相还能细小、弥散的分布在合金基体内，从而大幅提高合金的强塑性。