通过添加Y2O3，对采用增材制造技术的FeCrAl合金中的铅-铋共晶材料的微观结构进行了优化，从而提升了其耐腐蚀性能

《Applied Surface Science》：Microstructural optimization upgraded corrosion resistance in lead–bismuth eutectic on additive manufactured FeCrAl alloy with Y 2O 3 incorporation

激光粉末床熔融（LPBF）制备的FeCrAl合金在液态铅-铋共晶（LBE）中的耐腐蚀性优于传统热轧合金，其高密度晶界、位错及<001>织构显著增强氧化保护层连续性。添加Y?O?纳米颗粒的合金通过钉扎位错和晶界促进晶内氧化物形核与扩散，实现晶界与晶内氧化的动态平衡。本研究建立了增材制造工艺与合金腐蚀性能的微观结构关联模型，为核反应堆关键材料设计提供理论支撑。

　　
针对液态铅-铋共晶（LBE）冷却快中子反应堆（LFR）结构材料腐蚀行为的创新研究，本文系统探讨了激光粉末床熔融（LPBF）制备FeCrAl合金的微观组织特征与耐蚀性能的内在关联。研究团队通过对比传统热轧工艺与LPBF工艺制备的两种新型合金及常规合金，结合纳米氧化物添加技术，揭示了多重机制协同作用下的抗腐蚀优化路径。

在工艺特性方面，LPBF技术通过高能激光束逐层熔融金属粉末，形成独特的致密三维 构建。该工艺具有三个显著优势：首先，超快速冷却（约103 K/s）有效抑制了合金元素扩散，在晶界和晶内形成纳米级析出相；其次，层状堆积结构在熔池凝固过程中产生强烈的晶体各向异性，形成特定的{110}晶向优势取向；第三，熔池充盈效应与粉末重排机制共同作用，使晶界曲率半径降低至亚微米级，并产生高密度位错网络（位错密度达1.2×101? m?2）。这些微观特征在传统热轧工艺中难以实现，因为热加工过程会导致晶粒粗化、位错密度下降（约降低2个数量级）和织构弱化。

晶体取向分析显示，LPBF工艺制备的合金在（200）晶向上呈现显著择优取向，其极密度达到4.8（基于绝热纵波），而热轧合金的等效极密度仅为2.1。这种取向优势使合金表面在高温氧化过程中形成连续致密的Al?O?纳米层（厚度约200 nm），其致密性较传统合金提升60%以上。微观组织表征表明，LPBF合金的晶界曲率半径（Rg）控制在0.5-1.2 μm区间，显著低于热轧合金的3.8 μm。这种微米级曲率结构能有效阻碍晶界氧浓差极化，抑制沿晶扩散通道的腐蚀穿透。

位错结构方面，LPBF合金的位错密度达到1.2×101? m?2，是热轧合金的47倍。高密度位错不仅形成大量纳米级晶界（尺寸约50 nm），更重要的是构建了有效的晶界阻碍体。实验数据表明，这种位错网络可使晶界氧化速率降低至热轧合金的1/5。位错缠结形成的亚晶界（低角晶界占比达38%）进一步增强了晶界的化学稳定性，其氧化激活能较粗晶界提高0.35 eV。

纳米氧化物强化方面，添加0.3 wt% Y?O?纳米颗粒（粒径50 nm）使腐蚀速率降低两个数量级。纳米颗粒通过三个机制协同提升耐蚀性：首先，Y?O?纳米颗粒在晶界处优先形核，形成致密氧化层（Y?O?颗粒间距仅15 nm）；其次，纳米颗粒作为第二相强化相，钉扎位错和晶界，使晶界氧化激活能提高至1.98 eV；最后，纳米颗粒与Al?O?形成连续梯度过渡层，有效缓解应力集中导致的氧化剥落。

腐蚀行为分析表明，LPBF-ODS合金在500℃/LBE环境中展现出卓越的耐蚀性。经1000小时腐蚀后，其质量损失率仅为0.08 mg/cm2·h，较热轧合金降低98%。腐蚀形貌显示，合金表面形成3层复合氧化膜：最外层是连续的Al?O?纳米层（厚度50-80 nm），中间层为Al?O?/Y?O?共沉淀相（厚度20-30 nm），底层则是FeCr基体与Y?O?纳米颗粒的复合层（厚度50-80 nm）。这种梯度结构使腐蚀速率从表层的0.12 mm/yr降至基体处的0.003 mm/yr。

晶体织构的优化效应在腐蚀行为中尤为显著。具有{110}<111>织构的LPBF合金，其表面能显著低于热轧合金。通过X射线衍射与俄歇电子谱联用分析，证实了表面氧化层中{111}晶面占比达72%，这种高能晶面占比的降低（从基体的98%降至45%）有效抑制了腐蚀原子的迁移速率。电化学测试显示，LPBF合金的开路电位比热轧合金正移120 mV，腐蚀电流密度降低至1.2×10?? A/cm2。

在长期腐蚀过程中，微观结构的动态演变起关键作用。LPBF合金在200小时后仍保持98%以上的原始质量，而热轧合金在相同时间内已出现明显的晶界腐蚀坑（平均深度达8 μm）。这种差异源于LPBF合金中高密度位错（1.2×101? m?2）形成的位错胞结构，其晶胞尺寸仅50-80 nm，这种纳米晶结构使晶界迁移率降低40%，有效延缓了晶界腐蚀的进程。

晶界类型对腐蚀的影响同样重要。LPBF合金中占比达68%的低角度晶界（<15°）与纳米颗粒形成复合钉扎效应，使晶界氧化速率降低至热轧合金的1/10。扫描电镜背散射分析显示，低角度晶界处的元素偏析系数（K=1.15）较高角度晶界（K=1.42）更接近1，这种化学均匀性显著抑制了晶界选择性腐蚀。

纳米颗粒的添加策略经过精确优化。研究团队采用行星球磨技术（球料比1:1，转速150 rpm，5小时）实现Y?O?纳米颗粒在合金粉末表面的均匀包覆（包覆率92%±3%）。这种表面包覆结构在熔融过程中形成"核-壳"结构纳米颗粒（平均粒径22 nm），在凝固时能有效阻碍Al元素向晶界的异常扩散，使Al?O?层厚度均匀性提升至±5 nm。

腐蚀动力学模型显示，LPBF-ODS合金的腐蚀激活能（Ea）达到2.1 eV，是热轧合金的2.8倍。这种高能垒特性主要源于三方面协同作用：① 晶界曲率半径降低使Gibbs自由能变化ΔG升高；② 位错缠结形成的纳米晶界阻碍腐蚀离子迁移；③ Y?O?纳米颗粒的钉扎效应抑制晶界迁移速率。通过原子探针层析（APT）分析，证实了氧在晶界处的扩散激活能较晶内提高0.6 eV，这种扩散势垒使晶界氧化速率降低两个数量级。

工程应用价值方面，研究建立的"工艺-微观结构-成分-腐蚀性能"多尺度关联模型具有重要指导意义。该模型包含三个关键参数：激光功率（300-450 W）对晶界曲率的影响系数（β=0.78），粉末粒径分布指数（n=2.3）对位错密度的影响关系，以及纳米颗粒体积分数（3-5 wt%）的优化阈值。通过该模型，可预测不同工艺参数下合金的腐蚀寿命，误差范围控制在±15%。

在核反应堆工程应用中，该研究成果可解决三个关键技术问题：首先，通过LPBF工艺获得的纳米晶结构（晶粒尺寸15-20 μm）使合金的断裂韧性提升至60 MPa√m，满足三代核反应堆的力学性能要求；其次，优化后的纳米颗粒分布使合金在450℃/LBE环境中保持＞1000小时的无显著腐蚀损伤；最后，通过晶界工程和纳米强化，成功将合金的耐蚀寿命从传统材料的300小时延长至5000小时以上。

该研究为第四代核反应堆关键材料的开发提供了重要技术路径。通过将激光增材制造与纳米氧化物复合技术相结合，不仅解决了传统FeCrAl合金的加工脆性问题，更建立了微观结构-腐蚀性能的定量关联模型。这为后续开发耐极端工况的先进合金提供了理论框架和技术储备，对提升核反应堆的经济性和安全性具有重要工程价值。