氧化物与碳化物协同弥散强化Fe-Cr合金的微观结构与力学性能提升

为解决核反应堆结构材料在高温(500-650°C)和辐照条件下的性能衰减问题，研究人员通过粉末冶金(PM)技术制备ZrC(0-1.5 wt.%)强化的Fe-Cr合金，发现1.5 wt.% ZrC添加可形成双模态晶粒结构，协同纳米氧化物(TaO/ZrO2 )与碳化物(ZrC)弥散强化，实现室温屈服强度1373 MPa与延伸率11.9%的优异平衡，700°C下仍保持470 MPa强度，为铅冷快堆(LFR)材料设计提供新思路。

　　

在核能领域，铅冷快堆(LFR)因其优异的中子经济性和热工水力性能被视为下一代核能系统的关键。然而，其结构材料需承受500-650°C高温与50-150 dpa（原子位移损伤）的极端辐照环境。传统奥氏体不锈钢在此条件下会出现严重辐照肿胀，而9-12 wt.% Cr铁素体/马氏体(F/M)钢虽具有抗肿胀特性，但高温强度在550°C以上显著衰减。氧化物弥散强化(ODS)合金虽能提升高温性能，但过量的Y₂
O₃
会导致非晶化或粗大氧化物析出，损害塑性。

针对这一难题，中国核动力研究设计院与四川大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性地采用ZrC与氧化物协同强化策略。通过粉末冶金结合放电等离子烧结(SPS)技术，制备了ZrC含量0-1.5 wt.%的Fe-11Cr-0.01C-0.2Ta-1.1W-0.7Mn合金，结合小变形热轧工艺，成功实现了强度-塑性的协同提升。

关键技术方法
研究采用高能球磨(50 h, 300 rpm)将纳米ZrC(30 nm)与预合金粉末(31.4 μm)混合，经SPS(1100°C/50 MPa)烧结后，进行热轧(20%变形量)与淬火-回火(Q-T)处理。通过XRD、SEM-EDS和EBSD分析相组成与微观结构，室温/700°C力学测试评估性能，并利用TEM表征纳米析出相分布。

研究结果

1. 粉末形貌与相组成
球磨后粉末呈层状结构，ZrC添加抑制了冷焊效应。XRD显示ZrC未分解，但促进了TaO/ZrO₂
纳米氧化物形成，1.5 wt.% ZrC合金中析出相密度最高。

2. 微观结构演变
ZrC诱导双模态晶粒结构：粗晶区(5-10 μm)与细晶区(0.5-2 μm)共存。TEM证实ZrC与基体共格界面结合，纳米氧化物(TaO<5 nm, ZrO₂
<10 nm)均匀分布，1.5 wt.% ZrC样品中析出相间距最小(≈50 nm)。

3. 力学性能
1.5 wt.% ZrC合金表现最优：室温屈服强度(1373 MPa)较无ZrC样品提升58%，延伸率(11.9%)保持良好；700°C下屈服强度(470 MPa)超越传统ODS合金。高温性能归因于ZrC钉扎晶界与纳米氧化物阻碍位错运动。

4. 相变行为
ZrC降低奥氏体相区稳定性，促进铁素体转变。回火过程中，ZrC抑制M₂₃
C₆
碳化物粗化，形成稳定的(Ta,Zr)C复合碳化物。

结论与意义
该研究首次揭示了ZrC在Fe-Cr合金中的协同强化机制：通过调控相变路径形成双模态晶粒结构，同时利用ZrC与纳米氧化物的协同弥散效应，在超低碳(0.007 wt.%)条件下实现了强度-塑性的突破。1.5 wt.% ZrC的添加不仅优化了析出相分布，还抑制了粗大氧化物形成，为LFR结构材料设计提供了新范式。研究提出的“小变形热轧保留双模态结构”工艺，解决了传统大变形导致的塑性损失问题，具有重要工程应用价值。