通过三种熔炼方法制备的9Cr-ODS钢中氧化物的沉淀行为：一项比较研究

侯晨阳|李本本|张建雷|吴文胜|毛晓东|王刚|宋长江

中国上海大学材料科学与工程学院先进核能材料国家重点实验室，200444

摘要

熔炼工艺为氧化物弥散强化（ODS）钢的大规模生产提供了一条可行的途径。在本研究中，系统比较了三种制备方法：FeO前驱体粉末法、Y₂O₃前驱体粉末法和控制氧气氛法，以明确它们对9Cr-ODS钢中氧化物沉淀行为的影响。采用FeO前驱体粉末法制备的钢材含有200 ppm的钇和110 ppm的总氧，形成了亚微米级的富钇氧化物（约479 nm，约3.2 × 10¹⁵ m⁻³）和Y₂TiO₅纳米氧化物（约8.2 nm，约2.5 × 10²¹ m⁻³），这些氧化物是通过溶解氧与溶质Y和Ti在时效过程中的反应形成的。Y₂O₃前驱体粉末法将钇和氧的含量分别提高到300 ppm和130 ppm，同时保留了铸态微观结构中的Y-O团簇，提供了额外的成核位点，使得纳米氧化物的数量密度略有增加（约2.8 × 10²¹ m⁻³）。相比之下，控制氧气氛法提供了持续的外部氧供应，提高了溶解氧浓度，从而显著增强了纳米氧化物的成核化学驱动力。结果，O₂-ODS样品的纳米氧化物数量密度几乎翻了一番，从而实现了更好的强度-延展性协同效应，伸长率为11.7%。本研究阐明了钇和氧的状态、成核机制与氧化物沉淀之间的内在联系，为ODS钢的熔炼工艺提供了指导。

引言

可控核聚变被广泛认为是实现未来可持续和清洁能源的关键途径。它在满足世界不断增长的能源需求的同时，具有显著减少长期环境负担的潜力[1]。在聚变反应堆中，第一壁作为关键的结构屏障，具有双重功能：必须有效保护内部组件、冷却系统和超导磁线圈免受高能粒子通量和强烈热负荷的影响，同时还要承受高通量中子辐照和高能粒子轰击（例如H/He离子）等极端服务条件[[2], [3], [4]]。在候选材料中，氧化物弥散强化（ODS）钢因其优异的抗辐照膨胀性能和优异的高温蠕变强度而被认为是第一壁的最有前途的选择之一。

近年来，由于ODS钢制备工艺的相对简单性和大规模生产的潜力，它们受到了越来越多的关注[5]。然而，在铸造ODS钢的过程中，一个主要挑战是抑制熔化和凝固过程中氧化物颗粒的热力学不稳定性。这种不稳定性通常会导致颗粒严重粗化和聚集，从而显著降低弥散强化效果[6,7]。例如，Shi等人[8]通过真空感应铸造将2 μm的Y₂O₃颗粒直接引入熔融的铁基合金中，导致形成了粗大的富钇氧化物（约5 μm），表明了明显的粗化和聚集现象。

为了克服这些挑战，人们提出了各种策略来改善铸造过程中的氧化物弥散。Moghadasi等人[9]使用TiO₂作为氧载体，成功制备了含有纳米级Y-Ti-O复合氧化物的铸造ODS钢，有效控制了颗粒大小和分布，同时抑制了聚集和粗化。Hong等人[10]使用真空感应铸造将Fe₂O₃氧载体引入熔融钢中，制备出了含有0.2 - 1.2 μm Y₂O₃颗粒的ODS钢，具有较高的产量和抗拉强度。Shi等人[11]制备了Fe-Y₂O₃机械合金粉末，并将其加入熔融的T91钢中，实现了纳米级Y₂O₃颗粒的细分散。Song等人[12]将机械合金化的Fe-Cr-Y₂O₃-Si前驱体粉末引入P91钢中，通过真空消耗电极熔炼成功制备出了含有纳米级Y-Si-O颗粒的50 kg P91-ODS锭。

除了传统的熔炼工艺外，增材制造最近也为ODS钢的制备提供了新的机会。Yin等人[13]采用激光粉末床熔融（LPBF）技术，并调整了氧-氩比例，在0%、1%和2%的氧浓度下制备出了含有纳米级氧化物颗粒的316L ODS钢。Zhang等人[14]在含有1500 ppm氧的混合气体气氛下使用选择性激光熔融（SLM）技术，制备出了含有10 nm至35 nm的富Ti氧化物的新型低活化铁素体/马氏体（LAFM）钢。尽管采取了这些多样化的策略并取得了实质性进展，但关于不同制备工艺及其潜在机制的系统比较研究仍然不足。

在本研究中，采用了三种制备工艺：FeO前驱体粉末、Y₂O₃前驱体粉末和控制氧气氛来制备9Cr-ODS钢。结果表明，对于FeO和Y₂O₃前驱体粉末法，纳米氧化物是通过溶解氧与溶质Y和Ti的反应形成的，或者通过保留的Y-O团簇辅助成核形成的，导致纳米氧化物的数量密度相当但相对较低。相比之下，控制氧气氛法提供了持续的外部氧供应，提高了溶解氧浓度和成核的化学驱动力，从而使纳米氧化物的数量密度几乎翻了一番。本研究阐明了氧状态、成核机制与氧化物沉淀之间的内在联系，为工业规模的ODS钢生产提供了指导。

章节摘录

材料与实验方法

图1示意性地展示了基于FeO前驱体粉末、Y₂O₃前驱体粉末和控制氧气氛的三种9Cr-ODS钢制备工艺。这两种前驱体粉末的组成分别为Fe-9Cr-5FeO（重量%）和Fe-9Cr-5Y₂O₃（重量%）。两种粉末均在氩气氛下以380 r/min的速度球磨12小时，以确保氧的均匀分布。控制氧气氛由O₂混合气体组成

前驱体粉末的表征

图2展示了粉末的形态和元素分布。图2（a）显示了Fe-9Cr-5FeO粉末的形态以及相应的EDS元素映射结果。结果表明Fe、Cr和O分布均匀，部分Cr处于氧化状态。图2（b）显示了Fe-9Cr-5Y₂O₃粉末的形态和元素分布。Fe、Cr、Y和O均均匀分布，观察到Cr的部分氧化。

图3展示了

不同制备工艺下氧化物的沉淀行为

上述结果表明，虽然三种制备工艺都能有效制备9Cr-ODS钢，但它们对最终微观结构的影响明显不同。与FeO和Y₂O₃前驱体粉末法相比，通过控制氧气氛法制备的样品中亚微米级富钇氧化物的平均尺寸减少了约5%，但其数量密度增加了约20%。

结论

本研究提出了三种制备9Cr-ODS钢的工艺（FeO前驱体粉末、Y₂O₃前驱体粉末和控制氧气氛），并系统研究了它们对微观结构演变和氧化物沉淀行为的影响。主要结论如下：

(1)

通过FeO前驱体粉末法、Y₂O₃前驱体粉末法和控制氧气氛法制备的样品的钇含量和总氧含量

CRediT作者贡献声明

侯晨阳：研究工作及初稿撰写。李本本：撰写、审稿与编辑。张建雷：资金获取、撰写、审稿与编辑。吴文胜：撰写、审稿与编辑。毛晓东：方法学研究。王刚：方法学研究。宋长江：资金获取、项目管理、撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52471042、52271034和52301058）的财政支持。作者衷心感谢上海大学仪器分析与研究中心的工作人员提供的支持。