Ta2O5添加诱导FeCrAl合金的微观组织演变与多尺度协同强化

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural Evolution and Multiscale Synergistic Strengthening of FeCrAl Alloy Induced by Ta 2O 5 Addition

　　

FeCrAl合金因其优异的抗氧化性和热稳定性，被认为是事故容错燃料包壳和高温结构应用的理想候选材料。本研究通过机械合金化（MA）结合放电等离子烧结（SPS）制备了含有0–4 wt.% Ta2O5的Ta2O5增强FeCrAl合金。研究人员系统研究了Ta2O5添加对相演变、异质微观组织形成和力学性能的影响。结果表明，Ta2O5在烧结后并未作为稳定氧化物保留，而是促进了Fe2Ta型多元Laves相（Fe2Ta-TMLP）和γ-Al2O3纳米颗粒的原位形成。这些第二相诱导的颗粒刺激形核（PSN）和Zener钉扎的协同效应导致了由粗晶区和超细晶区组成的异质双峰晶粒结构的形成，同时伴随着显著的晶粒细化、小角度晶界比例增加和局部位错累积增强。在所有成分中，含有2 wt.% Ta2O5的合金在室温和800 °C下均表现出最优的力学性能。强度提升归因于晶粒细化强化、Fe2Ta-TMLP析出强化、γ-Al2O3弥散强化和位错强化的综合贡献。过量的Ta2O5添加导致第二相团聚，促进了应变局域化和裂纹的过早萌生，导致塑性恶化。本研究证明，Ta2O5的引入为在FeCrAl合金中构建异质微观组织和实现多尺度协同强化提供了一条有效途径。

一、研究背景与意义

FeCrAl合金因其优异的抗氧化性、耐腐蚀性和抗辐照性能，被认为是事故容错燃料（ATF）包壳和高温结构应用的理想候选材料。在高温下形成的致密α-Al₂O₃保护层能有效抑制氧扩散，确保长期环境稳定性。然而，高温强度不足和微观组织稳定性有限仍然是限制其在先进核系统中更广泛应用的关键挑战。

氧化物弥散强化（ODS）已被广泛用于改善铁基合金的高温性能。传统的Y₂O₃基ODS FeCrAl合金主要依赖化学稳定的氧化物颗粒，但氧化物添加剂与合金元素在非平衡加工过程中的相互作用仍未被充分理解。近期研究表明，氧化物颗粒在机械合金化和快速烧结过程中可能并非化学惰性，强化学驱动力可诱导相变和第二相形成，从而将强化机制从单纯的弥散强化转变为弥散-析出复合强化。

在铁基合金中，Fe₂Nb、Fe₂Ta和Fe₂W等Laves相已被广泛报道为有效的强化相。本研究选择Ta₂O₅作为反应性前驱体，因为在机械合金化和放电等离子烧结过程中释放的含Ta物种可参与后续相演变，导致Fe₂Ta型多元Laves相（Fe₂Ta-TMLP）和γ-Al₂O₃的原位形成。然而，Ta₂O₅在FeCrAl合金中的相演变行为、含Ta Laves相的形成机制及其对再结晶和力学性能的综合影响仍不清楚。因此，本研究旨在系统阐明Ta₂O₅添加对FeCrAl合金微观组织演变和力学性能的影响机制，该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

二、关键技术方法

研究人员采用气雾化预合金化Fe-13.17Cr-4.1Al-1.86Mo（FeCrAl）粉末（平均粒径约30 μm，纯度99%，购自长沙天久冶金粉末有限公司）为基体材料，商业Ta₂O₅纳米粉末（平均粒径30 nm，纯度99.9%，购自南宫航卓金属制品有限公司）为增强相。将FeCrAl粉末分别与1、2、3和4 wt.%的Ta₂O₅粉末混合，在高纯氩气保护下进行机械合金化（MA），球磨时间40 h，转速400 rpm，球料比10:1。随后采用LABOX-350放电等离子烧结系统（SPS）在1050 °C、50 MPa单轴压力下烧结，加热速率100 °C·min^-1，保温10 min。采用X射线衍射（XRD）进行物相鉴定，场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能谱仪（EDS）表征粉末形貌和元素分布，透射电子显微镜（TEM）结合选区电子衍射（SAED）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）确定析出相晶体结构，电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒形貌、取向、相分布、晶界特征和微观组织演变。室温和800 °C拉伸试验在万能试验机上进行，十字头速度0.2 mm·min^-1，每个条件进行三次平行试验。维氏显微硬度测试载荷1000 g，保载时间15 s。

三、研究结果

3.1 Ta₂O₅添加对机械合金化粉末特性的影响

通过SEM观察发现，机械合金化后的粉末呈现不规则片状和破碎形貌，这是反复塑性变形、冷焊、断裂和再焊接共同作用的结果。粒径分布结果表明，随着Ta₂O₅含量从1 wt.%增加到4 wt.%，粉末中位粒径（D50）从154.3 μm持续减小至44.8 μm。硬质陶瓷纳米颗粒通过增强球磨冲击过程中的局部应力集中促进粉末破碎，同时抑制金属颗粒间的过度冷焊，将冷焊与破碎之间的竞争平衡向细化方向转移。细化的粉末有利于后续SPS致密化和增强相的均匀分布。

3.2 相组成与微观组织演变

XRD分析表明，所有含Ta₂O₅合金的衍射图谱以α-Fe基体特征峰为主，未检测到Ta₂O₅的衍射峰，但出现了与Fe₂Ta、Fe₂Nb和Fe₂Mo型Laves相特征反射吻合的新峰，表明形成了以Fe₂Ta晶体结构为基础、Ta、Nb和Mo原子共同占据溶质亚点阵的多元Laves相（Fe₂Ta-TMLP）。Ta₂O₅的转变机制为：由于Al对氧的亲和力强于Ta，Al优先与Ta₂O₅释放的氧反应形成γ-Al₂O₃，而释放的Ta物种扩散进入铁基体并与Fe、Nb、Mo原子相互作用，在相稳定化热力学驱动力下形成Fe₂Ta-TMLP。

BSE-EDS分析显示，未添加Ta₂O₅的合金仅存在少量富Nb和Mo的亮色第二相颗粒。随着Ta₂O₅含量增加，富Ta、Nb、Mo的亮色颗粒数量显著增加。1 wt.%和2 wt.%添加量下，Fe₂Ta-TMLP以细小颗粒均匀弥散分布于基体中；3 wt.%和4 wt.%添加量下则出现明显的第二相团聚现象。

TEM-SAED分析确认Fe₂Ta-TMLP具有六方MgZn₂型（C14）Laves结构，析出相(101)面间距约3.69 ?，与Fe₂Ta理论值3.677 ?高度吻合。HRTEM显示析出相与α-Fe基体之间存在良好共格界面。EDS分析证实Nb和Mo参与Laves相晶格取代，因此该相被更准确地鉴定为Fe₂Ta型多元Laves相。γ-Al₂O₃纳米颗粒通过HRTEM和FFT确认，其(311)面间距约2.39 ?，与缺陷尖晶石γ-Al₂O₃标准值2.396 ?一致。统计80个颗粒得到平均粒径13.5 nm。EBSD相分布图证实Fe₂Ta-TMLP和γ-Al₂O₃主要沿晶界和晶内均匀分布。

3.3 晶粒细化与异质微观组织演变

EBSD-IPF图显示，未添加Ta₂O₅的合金由平均晶粒尺寸约2.66 μm的均匀等轴晶组成。添加Ta₂O₅后形成由粗晶区（CGR）和细晶区（FGR）组成的典型双峰晶粒结构，平均晶粒尺寸降至1.11 μm，超细晶区局部晶粒尺寸约0.37 μm。第二相颗粒通过Zener钉扎效应降低晶界迁移率抑制晶粒粗化，同时颗粒周围局部应变能累积促进再结晶形核，产生颗粒刺激形核（PSN）效应。晶粒尺寸和局部相互作用的差异导致不同区域晶界迁移率不同，形成双峰晶粒结构。

晶界取向差分布显示，未添加Ta₂O₅的合金小角度晶界（LAGBs，1°–15°）比例约22.6%，添加后增至28%。LAGB比例增加表明亚结构形成和位错胞发展增强，第二相颗粒的Zener钉扎效应抑制了亚晶界向大角度晶界的转变。KAM图显示添加Ta₂O₅后高KAM值区域显著增加，主要分布在细晶区和第二相富集区域周围，表明几何必需位错（GNDs）密度增加和位错存储能力增强。

3.4 力学性能与断裂行为

含2 wt.% Ta₂O₅的合金在室温和800 °C下均表现出最优的综合力学性能。800 °C短时保温（30 min）不足以引起Fe₂Ta-TMLP和γ-Al₂O₃的显著溶解或退化，其高热稳定性使其在高温下持续贡献析出强化和弥散强化。强度提升归因于晶粒细化强化、Fe₂Ta-TMLP析出强化、γ-Al₂O₃弥散强化和位错强化的协同贡献。双峰晶粒结构通过细晶区提供高强度、粗晶区容纳塑性变形并促进应变分配，产生异质变形诱导（HDI）硬化，延迟应变局域化，实现强度-塑性协同提升。

当Ta₂O₅含量增至3–4 wt.%时，塑性显著下降。主要原因是细晶区的过度发展和细晶区与粗晶区之间的变形不相容性，而非第二相团聚本身。4 wt.%合金中大量细晶区表现出较高KAM值，表明局部取向差和应变梯度显著，促进GND累积和局部应力集中，有利于应变局域化和裂纹萌生。断裂形貌分析显示，2 wt.%样品呈现大量深且均匀分布的韧窝和撕裂脊，为典型韧性断裂；3 wt.%和4 wt.%样品韧窝密度显著降低，出现准解理特征和局部脆性断裂特征。

四、讨论总结与结论

本研究通过机械合金化结合放电等离子烧结成功制备了不同Ta₂O₅含量的FeCrAl合金，系统研究了Ta₂O₅添加对微观组织演变和力学性能的影响。主要结论如下：

（1）Ta₂O₅添加显著影响机械合金化过程中的粉末演变行为。随着Ta₂O₅含量从1 wt.%增至4 wt.%，球磨粉末粒径持续减小，表明Ta₂O₅促进了球磨过程中的合金化进程，为后续晶粒细化提供了有利条件。

（2）XRD、EDS和TEM结果表明，加工后未检测到残留Ta₂O₅相，而是形成了Fe₂Ta型多元Laves相（Fe₂Ta-TMLP）和纳米级γ-Al₂O₃颗粒。Fe₂Ta-TMLP具有MgZn₂型（C14）六方Laves结构，γ-Al₂O₃具有缺陷尖晶石结构。两种相沿晶界和晶内均匀分布。这些第二相显著阻碍晶界迁移并促进颗粒刺激形核（PSN）。EBSD结果显示，添加Ta₂O₅后平均晶粒尺寸从2.66 μm降至1.11 μm，局部区域出现约0.37 μm的超细晶粒，形成由粗晶区（CGR）和细晶区（FGR）组成的典型双峰晶粒结构。同时，小角度晶界比例从22.6%增至28%，KAM值显著增加，表明位错存储能力增强。

（3）适量的Ta₂O₅添加显著改善了FeCrAl合金的室温和800 °C高温力学性能。强化机制归因于晶粒细化强化、Fe₂Ta-TMLP析出强化、γ-Al₂O₃弥散强化和位错强化的协同贡献。双峰晶粒结构中，Fe₂Ta-TMLP和γ-Al₂O₃强化的细晶区提供高强度，粗晶区容纳塑性变形并延迟裂纹扩展，实现了强度和塑性的协同提升。当Ta₂O₅含量超过最佳范围时，第二相颗粒发生明显团聚，降低增强相分布均匀性并在变形过程中诱发局部应力集中，促进裂纹萌生和扩展，断裂模式从韧性断裂逐渐转变为准解理断裂。

（4）微观组织和力学性能综合分析表明，2 wt.% Ta₂O₅是该体系的最佳添加量。在此含量下，Fe₂Ta-TMLP和γ-Al₂O₃颗粒保持良好的弥散分布，通过析出强化、弥散强化、晶粒细化强化和位错强化的协同作用，使合金在室温和高温下均获得最佳的综合力学性能。