Cr1-xVxN纳米析出相晶格结构演变及其在含钒9Cr钢热老化过程中的强化机制研究

本研究针对高温服役环境下含钒9Cr钢中Cr1-xVxN纳米析出相的强化机制不明问题，通过实验表征与密度泛函理论(DFT)计算相结合，揭示了从正交晶系(Pnmm)胚胎纳米析出相(ENPs)到面心立方(NaCl型)成熟纳米析出相(MNPs)的演变规律。研究发现V富集可降低形成能，驱动析出相形貌从短棒状向针/板状转变，为设计高性能耐热钢提供理论依据。

　　

在能源与电力装备领域，9Cr系列耐热钢因其优异的高温强度和抗蠕变性能，被广泛应用于超临界机组关键部件。然而，长期高温服役过程中，材料内部纳米析出相的演化行为直接决定其性能稳定性。特别是含钒钢中Cr-V-N系析出相的结构演变机制尚不明确，这成为制约材料性能优化的瓶颈问题。

中国的研究团队通过先进表征技术与理论计算相结合，系统研究了Cr_1-xV_xN纳米析出相在650°C热老化过程中的结构演变规律。研究发现：初始形成的胚胎纳米析出相(ENPs)具有正交晶系(Pnmm)结构，尺寸仅4.2±2.8 nm，与α-Fe基体存在7组特定取向关系；经过2946小时老化后，V含量增加促使析出相转变为面心立方(NaCl型)的成熟纳米析出相(MNPs)，尺寸增长至25±19 nm，并伴随形貌从短棒状向针/板状的转变。密度泛函理论计算证实，V的富集可显著降低Cr_1-xV_xN的形成能，从热力学角度解释了相变驱动力。该成果发表于《Scripta Materialia》，为开发新一代高温强化钢提供了重要理论支撑。

研究采用透射电镜(TEM)分析析出相形貌与晶体结构，结合X射线能谱(EDS)测定成分演变，通过电子背散射衍射(EBSD)解析取向关系，并运用密度泛函理论计算形成能变化。

【Abstract部分】
研究首次明确了Cr_1-xV_xN纳米析出相存在两种稳定结构：低V含量(x<5/16)时为正交晶系ENPs，高V含量(x≥1/2)时为面心立方MNPs。ENPs与基体的复杂取向关系通过7组晶面/晶向对应关系精确描述。

【Section snippets部分】
理论计算揭示V替代Cr位点可降低系统能量，这与实验观察到的V含量随老化时间增加的现象一致。MNPs的(011_)面与ENPs的(112)面存在外延生长关系，表明相变过程具有晶体学连续性。

该研究从原子尺度阐明了V元素在析出相演变中的关键作用，建立了成分-结构-性能的定量关系。不仅解决了长期以来关于Cr-V-N系析出相结构演变的争议，更为设计具有可控纳米析出相的高温合金提供了新思路。特别是提出的"形成能调控"策略，可通过精确控制V含量实现析出相形貌与分布的优化，这对开发下一代超超临界机组用钢具有重要指导意义。