【摘 要】
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自日本福岛核电站事故后,Zr合金的致命缺陷被广为人知。因此迫切需要一种安全可靠的材料来替代Zr合金在核燃料包壳上的应用。FeCrAl合金一方面因其优异的抗高温氧化性能被列为潜在的候选材料之一,受到研究人员广泛关注。另一方面在高温合金领域,由于原材料Ni的价格不断上涨,对于FeCrAl合金的需求也越来越大。而且随着近些年来中国工业的迅猛发展,其在汽车尾气处理,燃料电池,太阳能等领域的应用也被逐步研究
【基金项目】
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国家自然基金（项目编号:U1860204,51871159）； 山西省自然科学基金（项目编号:201803D121023）；
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自日本福岛核电站事故后,Zr合金的致命缺陷被广为人知。因此迫切需要一种安全可靠的材料来替代Zr合金在核燃料包壳上的应用。FeCrAl合金一方面因其优异的抗高温氧化性能被列为潜在的候选材料之一,受到研究人员广泛关注。另一方面在高温合金领域,由于原材料Ni的价格不断上涨,对于FeCrAl合金的需求也越来越大。而且随着近些年来中国工业的迅猛发展,其在汽车尾气处理,燃料电池,太阳能等领域的应用也被逐步研究。因此进一步提高FeCrAl合金的抗高温氧化性能、高温组织稳定性以及力学性能成为未来发展的重点。Ti元素因其能够在冶炼时与N作用,形成Ti N相同时具有细化晶粒的作用,已被应用于FeCrAl合金之中。本文针对合作企业冶炼的Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金,经不同温度保温后,对合金组织演变过程进行分析,然后对合金的力学性能进行测试,并研究合金的高温组织稳定性和力学性能。同时对Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金的高温抗氧化性能进行了系统的考察。总结分析了添加Ti元素对合金组织稳定性、力学性能以及抗高温氧化性能的影响规律及机理。进一步结合热力学相图计算,详细分析了添加Ti,C,N元素对合金高温析出相的影响。最终得出了三种较为合理的合金成份,本文工作可为含Ti-FeCrAl合金进一步的性能优化提供实验和理论上的参考。结合实验以及热力学相图计算,得出以下结论:（1）通过热力学软件计算发现,提高Ti含量能够有效加大合金中C,N元素的溶解度,抑制M23C6和M7C3的析出,并提高Ti（C,N）向Ti N的转变温度;提高N含量可促进Ti（C,N）的析出,但会降低Ti（C,N）向Ti N的转变温度,而提高C含量能够促进Ti（C,N）的析出,并使Ti（C,N）向Ti N的转变温度提高。经过对比分析,Ti含量为0.3-1 wt.%,C含量为0.05-0.1 wt.%,N含量为0.005 wt.%时,既可使合金凝固时形成大量的Ti N,达到细化晶粒的效果,同时提高Ti N向Ti（C,N）转变的温度,使得合金在高温下具有更为稳定的微观组织。（2）Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金在700-900℃保温1h后,析出相主要为弥散分布的TiC颗粒和晶界处细小的Cr23C6颗粒,在1000-1200℃保温1h后中,析出相主要为Ti C颗粒。实验研究表明:在700-900℃,晶界处细小的Cr23C6与Ti C颗粒可同时作用抑制晶粒长大;在1000-1200℃,主要由Ti C颗粒来抑制晶粒长大。由于Ti C颗粒数量随着温度升高逐渐减少,在1250℃保温时,Ti C颗粒完全回溶,晶粒迅速长大。进一步说明晶界处细小的Ti C颗粒有利于维持Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金的高温组织稳定性。（3）Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金在700-1100℃分别氧化120h后,具有较好的抗氧化性能,说明该合金在实验温度范围内完全可以正常使用。在900℃氧化时,Ti元素聚集在氧化层/基体的界面处,而在1000-1100℃氧化60h后,Ti元素能够穿过致密的α-Al2O3氧化层在合金表面形成Ti O2氧化层。研究表明在FeCrAl合金中,Ti元素的扩散是一个逐步扩散的过程,Ti元素首先从基体向氧化层/基体界面扩散,然后再向表面扩散,在Fe-13Cr-5Al-0.3Ti合金中,这一过程大约需要60h。同时发现,在FeCrAl合金中加入含量为0.3 wt.%的Ti元素,不仅使得氧化层向外生长,而且形成的Ti C颗粒会在氧化过程中在氧化层/基体界面处形成氧化瘤,提高氧化层的粘附性,进而提高合金的抗氧化性能。
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