通过纳米氧化物颗粒的优化，提高了700°C下低活化9Cr-ODS钢的低周疲劳性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Enhanced low-cycle fatigue performance of low-activation 9Cr-ODS steel at 700°C through nano-oxide particle optimization

　　纳米氧化物分布与尺寸对700℃低周疲劳行为的影响研究表明，高密度（2.6×1023/m3）细小（平均6.4nm）氧化物均匀分布的NPM-ODS钢较传统制备的PM-ODS钢（12.6nm，1.7×1022/m3）具有更优异的循环稳定性，其疲劳寿命提升近一个数量级，归因于纳米氧化物有效阻碍位错运动和抑制晶界粗化，同时PM-ODS因氧化物钉扎效应较弱导致微观结构回复明显。

　　

王启涛|李新乐|李耀志|尹梦杰|戴华龙|李艳芬

中国科学院金属研究所，沈阳 110016，中国

摘要

由于出色的高温蠕变抗力和辐照耐受性，氧化物弥散强化（ODS）钢是先进核能系统的理想候选材料。本文研究了纳米氧化物颗粒对低活化9Cr-ODS钢在700°C下、应变幅度为±0.30%至±0.50%时的低周疲劳行为和微观结构演变的影响。制备了两种类型的9Cr-ODS钢，即PM-ODS和NPM-ODS，以具有不同的氧化物颗粒特性。PM-ODS的氧化物颗粒平均尺寸为12.6纳米，数密度为1.7×10²²/m³；而NPM-ODS的氧化物颗粒更细，平均尺寸为6.4纳米，数密度为2.6×10²³/m³。在所有应变幅度下，NPM-ODS表现出几乎稳定的循环响应，而PM-ODS在±0.50%的应变幅度下出现循环软化现象。NPM-ODS的峰值应力比PM-ODS高90–120 MPa。值得注意的是，NPM-ODS在±0.30%应变幅度下的疲劳寿命几乎是PM-ODS的十倍。这种改进归因于其更高的颗粒数密度、更小的颗粒尺寸以及更均匀的氧化物分布。这些特性有效限制了位错运动并抑制了晶粒/亚晶粒粗化，从而增强了背应力和疲劳抗力。相比之下，由于氧化物钉扎作用较弱，PM-ODS表现出显著的微观结构恢复，导致其疲劳寿命大大缩短。这些结果表明，通过优化氧化物颗粒可以有效提高ODS钢的高温疲劳性能。

引言

先进的核能系统，如第四代裂变反应堆和未来的聚变反应堆，需要在恶劣条件下长时间运行。因此，这些系统中使用的结构材料必须能够承受高温载荷、循环应力和强烈的中子辐照[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些极端环境常常导致疲劳损伤和断裂，从而大大限制了关键部件（如包壳管和热交换器）的使用寿命和可靠性[4,[7], [8], [9]]。在各种退化机制中，低周疲劳（LCF）通常发生在500–750°C的温度范围内，是限制结构材料寿命的最关键因素之一[3,4,[10], [11], [12]]。

在候选材料中，氧化物弥散强化（ODS）钢因其优异的高温蠕变抗力和辐照耐受性而受到广泛关注[2,[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。这些优势主要源于纳米级氧化物颗粒（例如Y₂Ti₂O₇）在铁素体/马氏体基体中的均匀分布。这些颗粒可以通过钉扎位错和稳定晶界来有效提高高温强度和微观结构稳定性[5,14,16,20,21]。例如，在9Cr-ODS和13Cr-ODS钢中，纳米氧化物即使在700°C下长期老化（10000小时）后仍保持稳定[22,23]。同样，通过机械合金化（MA）引入平均尺寸为9.2纳米的Y₂Ti₂O₇颗粒的CLAM钢表现出优异的热稳定性[24]。然而，当颗粒粗化（>20纳米）时，在变形过程中可能会从基体中脱落，形成空洞，从而降低蠕变抗力和辐照耐受性[25]。

先前的研究表明，细小且稳定的纳米氧化物可以显著提高循环性能。例如，添加0.3 wt.%的Y₂O₃可以有效抑制循环软化并延长Eurofer钢的疲劳寿命[[26], [27], [28], [29]]。此外，13Cr-ODS钢在550°C下表现出稳定的应力响应，这归因于纳米氧化物对位错和晶界的强钉扎作用[30]。在9YWT-MATISSE钢中，纳米级氧化物颗粒显著减少了循环软化并提高了650°C下的循环稳定性[31]；而在14Cr-ODS钢中，细小氧化物和细化晶粒的联合效应进一步提高了疲劳抗力[32]。

值得注意的是，纳米氧化物的分布、尺寸和稳定性高度依赖于加工工艺和合金成分。例如，在通过沉淀辅助铸造制备的9Cr-ODS钢中，颗粒密度较高的区域表现出更强的抗循环软化能力，而低密度区域则出现明显的位错湮灭和胞状结构形成[33]。中间退火会促进颗粒粗化和密度降低，从而导致12Cr-ODS和13Cr-ODS钢的循环软化[20,34]。通过冷喷涂制备的ODS钢通常含有较大且分布较稀疏的颗粒，导致更高的软化敏感性[[34], [35], [36]]。此外，添加Zr等合金化策略已被证明可以促进更细小、更均匀的氧化物分布，从而进一步提高强度和稳定性[37]。

总之，现有研究已经证实，均匀、细小且稳定的纳米氧化物对于抑制循环软化和提高蠕变及辐照抗力至关重要。然而，关于它们在高温（700°C）和低周疲劳（LCF）条件下的作用，尤其是颗粒尺寸和分布对循环响应、微观结构演变和断裂行为的影响，系统性的研究仍然很少。为填补这一研究空白，通过不同的MA工艺制备了两种具有不同纳米氧化物分布和尺寸的9Cr-ODS钢。具体而言，本研究通过多尺度表征揭示了纳米氧化物特性对循环迟滞行为、应力响应、微观结构演变和断裂机制的影响。研究结果为ODS钢在先进核能系统中的疲劳寿命设计和结构优化提供了新的实验证据和理论支持。

材料

采用包括机械合金化（MA）、热等静压（HIP）、热锻造和热轧在内的粉末制备工艺来制造9Cr-ODS钢。使用了化学成分为Fe-0.1C-9Cr-2.0W（按重量计）的预合金粉末。如图1所示，制备了两种不同类型的9Cr-ODS样品——PM-ODS和NPM-ODS，主要区别在于MA前的处理工艺。对于PM-ODS，首先以150 rpm的速度预粉碎了0.25%的Ti和0.35%的Y₂O₃粉末（颗粒尺寸小于100纳米）

疲劳前的微观结构和拉伸性能

图3通过TEM分析展示了这两种样品在疲劳前的微观结构。它们表现出不同的晶粒形态。如图3(a)所示，PM-ODS的结构为回火马氏体，晶粒几乎等轴；这与传统马氏体钢类似[38]。而图3(b)显示NPM-ODS的晶粒沿轧制方向拉长。类似的形态也在1300°C下退火1小时的14Cr-ODS钢中观察到[39]

结论

在700°C下，对9Cr-ODS钢进行了不同应变幅度（±0.30%、±0.40%和±0.50%）的LCF实验。研究了两种ODS样品（PM-ODS和NPM-ODS）的循环变形行为和微观结构演变，这两种样品的纳米氧化物颗粒分布和尺寸不同。主要结论如下：

• (1)
  NPM-ODS含有更细的纳米氧化物颗粒（约6.4纳米），数密度更高（2.6×10²³/m³

CRediT作者贡献声明

王启涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据分析，概念构思。李新乐：验证，方法论，研究。李耀志：资源，项目管理，方法论。尹梦杰：验证，项目管理，数据分析。戴华龙：可视化，验证，方法论，研究。李艳芬：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDA0410000）、国家自然科学基金（项目编号：52371126）以及中国国家核电公司的LingChuang研究项目的财政支持。