硅掺杂对FeCrAl燃料包壳合金微观结构、力学性能与抗氧化性的影响机制研究

本文系统探讨了硅（Si）掺杂对核用FeCrAl合金（Fe13Cr6Al）微观结构、力学性能及高温抗氧化性（1200°C）的调控作用。研究发现，Si掺杂可显著细化晶粒（最低至19.42 μm）、提升硬度（241.8 HV）与拉伸强度（628 MPa），并通过诱导形成SiO2/Al2SiO5氧化层增强抗氧化性，为核反应堆安全材料开发提供重要理论依据。

　　

Microstructure of annealing samples

图2(a)展示了不同硅含量Fe13Cr6AlxSi合金的铸态宏观组织图像。铸态合金呈现典型的FeCrAl铸锭晶粒特征，包括细小的等轴晶与粗大柱状晶的混合结构。随着硅的添加，晶粒形态与尺寸发生演变：0.1Si与0.2Si合金仍以柱状晶为主，但较0Si合金晶粒尺寸细化；0.3Si合金中粗大柱状晶消失，转变为等轴晶与细小柱状晶的混合形态；0.4Si合金则完全由细小等轴晶组成，平均晶粒尺寸显著降低至19.42 μm。

Microstructure

五种铸态合金的微观结构演变受凝固过程中的热扩散及硅对凝固行为的影响支配：向内凝固过程中，热耗散与温度梯度下降驱动晶粒沿最快散热方向反向生长，形成柱状晶。无硅或低硅合金（0Si、0.1Si、0.2Si）遵循典型FeCrAl铸态形态。随着硅含量增加，0.3Si合金发展为混合柱状-等轴晶，而0.4Si合金则完全转为等轴晶结构。硅的添加通过降低晶界能、抑制晶界迁移，显著促进晶粒细化。

Conclusions

本研究通过在不同硅含量（0、0.1 wt.%、0.2 wt.%、0.3 wt.% 与 0.4 wt.%）掺杂的Fe13Cr6Al合金中，系统分析了硅对核级FeCrAl合金微观结构、晶体结构、力学性能（室温与380°C）及高温（1200°C）氧化行为的影响。主要结论如下：

(1) 硅掺杂显著细化Fe13Cr6Al合金的晶粒结构，平均晶粒尺寸明显降低至20 μm以下；

(2) 硅添加提升合金力学性能，0.4Si合金表现出最高硬度、拉伸强度与断裂延伸率；

(3) 硅通过诱导形成SiO₂与Al₂SiO₅相增强氧化层保护性，显著改善高温抗氧化性。