钛添加对激光粉末床熔融制备Fe12Cr6Al合金高温稳定性的改善研究

本研究针对核反应堆结构材料的高温性能需求，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术原位合成氮/氧化物纳米沉淀相，探究了1200°C热处理对含钛(1wt.%)与不含钛Fe12Cr6Al合金中Al2O3、TiN等沉淀相的演变规律。发现钛添加促使AlTiN转化为TiN@Al2O3复合沉淀，使晶粒尺寸增幅从5μm(无钛)提升至14μm(含钛)，虽强度降低28-36%，但延伸率提高3.5-4%，为核用材料设计提供新思路。

　　

在核能技术发展的关键赛道上，铁铬铝合金(FeCrAl)因其卓越的高温强度、抗腐蚀和抗辐照性能，被视为下一代裂变/聚变反应堆结构材料的明星候选者。然而，传统制备工艺难以在材料中均匀分布纳米级强化相，且高温环境下沉淀相稳定性不足，导致力学性能急剧退化。更棘手的是，核反应堆极端工况要求材料必须同时满足强度、延展性和抗辐照肿胀的多重矛盾需求——这就像要求一位短跑选手兼具马拉松运动员的耐力与体操选手的柔韧性。

韩国MK公司的研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性研究，他们采用激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)这一革命性增材制造技术，在氮气氛围中巧妙实现了Al₂O₃、TiN等纳米沉淀相的原位合成。研究团队设计了两组对照样本：基础款Fe-12Cr-6Al合金和添加1wt.%钛的升级版，通过1200°C高温热处理模拟核反应堆服役环境，首次系统揭示了钛元素对沉淀相演变行为的调控机制。

关键技术方法包括：采用15-45μm气雾化Fe-12Cr-6Al粉末与5-15μm钛粉机械混合；在氧含量<0.01wt.%的氮气环境中进行LPBF成型；使用200W激光功率与400mm/s扫描速度的优化参数组合；通过SEM-EDS联用技术分析沉淀相成分分布；结合电子背散射衍射(EBSD)定量表征晶粒尺寸变化。

【材料与方法】章节显示，含钛样本通过高速混粉(10000RPM/6min)确保钛元素均匀分布，这种"分子级搅拌"技术为后续原位反应奠定基础。

【结果】部分呈现惊人发现：无钛样本热处理后Al₂O₃完全消失，仅保留84nm的AlN沉淀；而含钛样本中AlTiN神奇地转化为93nm的TiN@Al₂O₃核壳结构，这种"相变魔术"使晶粒尺寸从12μm暴增至26μm，增幅达117%，远超无钛样本7%的温和增长。

【沉淀相演变】机制解析指出，钛的加入改变了热力学平衡——在1200°C时，TiN的形成吉布斯自由能(-309kJ/mol)显著低于AlN(-201kJ/mol)，这种"能量差"驱动AlTiN向更稳定的TiN转化。而TiN@Al₂O₃的核壳结构，就像给陶瓷颗粒穿上"防辐射外套"，使其在保留弥散强化效果的同时，显著提升抗高温粗化能力。

力学性能数据更具启发性：虽然热处理使含钛样本屈服强度(YS)从689MPa降至496MPa，但延伸率从15.2%跃升至19.2%——这种"以强度换韧性"的平衡恰是核材料梦寐以求的特性。更令人振奋的是，维氏硬度(HV)仅下降10%，证明TiN@Al₂O₃复合沉淀能有效抑制高温软化。

【结论】部分强调，该研究首次阐明钛元素通过调控Al-Ti-N-O多元相平衡，实现沉淀相结构的精准设计。韩国核燃料研究所(iKSNF)资助的这项成果，不仅为开发新型氧化物/氮化物共强化(ODS/NDS)合金提供理论框架，其LPBF原位合成策略更可推广至其他高温合金体系。正如通讯作者Jung-Wook Cho指出："钛就像合金世界的‘相变催化剂’，让我们在纳米尺度操控材料的‘基因表达’。"这项研究将加速第四代核反应堆材料的商业化进程，也为聚变堆第一壁材料设计开辟新路径。