摘要
自日本福岛核事故后，研究者开始关注耐事故燃料(ATF)包壳材料。FeCrAl合金由于其优异的力学性能、抗蒸汽氧化性能等，是目前最有前景的ATF包壳材料之一。由于FeCrAl合金的中子吸收截面大于Zr合金，因此，FeCrAl合金需要经过锻造、热挤压、轧制、退火等一系列工艺加工成壁厚小于0.5 mm的薄壁管材以保证中子经济性。基于此，则需要确定合适的FeCrAl合金加工工艺，从而设计并调控出满足使用要求的合金组织。本文选用FeCrAl(-Zr)合金作为研究对象，研究其高温变形行为，分析FeCrAl(-Zr)合金高温变形行为与微观组织的联系，为合金的实际加工参数提供参考。研究不同工艺路线加工的FeCrAl(-Zr)合金组织及力学性能，讨论合金室温及高温强化机制。同时，分析微米级Laves相对FeCrAl(-Zr)合金微观组织及性能的影响。获得的主要研究结论如下: (1)基于Arrhenius模型构建FeCrAl与FeCrAl-Zr合金高温变形本构方程，并对本构方程的适用性进行了验证。对于FeCrAl合金，除高温高应变速率外，本构方程可以较为精准的预测合金在不同加工参数下的流变抗力值。而对于FeCrAl-Zr合金，在低应变速率的条件下，流变应力的理论计算值与实验值相差较小。 (2)基于动态材料模型构建FeCrAl与FeCrAl-Zr合金的热加工图，发现功率耗散值在不同应变量条件下的分布规律基本相同，即高温低应变速率对应较高的功率耗散值。高温低应变速率是FeCrAl与FeCrAl-Zr合金的稳定热加工区，可作为合金的热加工工艺条件。 (3)FeCrAl-Zr合金在热变形过程中动态析出(Fe,Cr)2Zr型与Fe2M(M=Ta,Nb,Mo)型两种Laves相，且由于参与形成Laves相的微合金化元素的扩散速率和溶解度存在差异，导致(Fe,Cr)2Zr型Laves相优先析出，Fe2M型Laves相随后析出。 (4)添加Zr元素有助于提升FeCrAl合金的室温与高温拉伸屈服强度。FeCrAl(-Zr)合金在高温拉伸时，动态析出的Laves相与位错相互作用，使合金在高温条件下仍保持较高的屈服强度。 (5)Zr的添加有助于提升FeCrAl合金的微区抗蠕变以及400℃抗蠕变性能，在400℃的蠕变测试期间，FeCrAl(-Zr)合金的稳态蠕变速率极低，未发生明显的蠕变现象，这为该合金在核反应堆中作为ATF包壳材料的实际应用提供了基础。 (6)Zr的添加有利于在FeCrAl合金组织中保持一定数量的微米级Laves相。合金中的微米级Laves相不仅可以诱发并促进其再结晶，更可以通过不连续塑性变形机制实现FeCrAl(-Zr)合金强塑性的协同提升。
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