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Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢具有比Zr合金更加优异的高温抗氧化性、耐蚀性及高温力学性能等优点,从而有望成为下一代事故容错燃料(accident-tolerant fuel,ATF)包壳材料。但在高温下服役时材料的高温组织稳定性对其用作核反应堆耐事故燃料包壳材料至关重要,而合金的组织稳定性与微量合金化元素的种类及含量密切相关。本文以“团簇加连接原子”结构模型为指导,首先在研究了Fe-Cr-Al-M系合金成分特征和微量元素M(M=Mo,Nb,Ti,Zr,Ta,等)的添加规律后,根据团簇模型设计出Fe-Cr-Al-M系列成分合金,之后对所设计系列合金进行了系统的组织结构表征和性能测试,揭示出Fe-Cr-AlM系列合金化元素的添加对微观组织稳定性的影响和组织随温度的演变规律,以及微观组织变化对合金力学性能的影响,从而为事故容错燃料包壳提供了新型铁素体不锈钢候选材料。采用真空电弧熔炼制备设计的母合金锭,并对其进行1200°C/2h固溶处理,进而在800°C经多道次热轧成板,再进行800°C/24h时效处理,最后对时效后的样品进行不同温度下的高温再固溶处理,以研究微量元素添加对合金高温组织稳定性的影响。采用X射线衍射、光学显微观察、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电子探针等手段检测合金的微观结构和组织形貌,利用维氏硬度仪、MTS万能试验机测试合金的力学性能。研究发现,经800°C/24h时效处理后,第二相(Laves相)粒子均匀分布于Mo/Nb合金化的铁素体基体中,而Mo/Nb比例为2:1时,Laves相析出更加均匀且弥散,在此基础上添加Ti合金化时,Laves相体积分数明显减少,而Mo/Ti/Zr进行合金化时Laves相分布明显聚集,且体积分数也明显减少;在Mo/Nb=2:1的成分基础上再用Ta进行合金化,Ta微合金化并未改变第二相粒子的大小,1000°C/1h固溶处理使得系列时效合金中的第二相粒子开始发生回溶,1200°C/1h固溶处理后,Mo/Nb合金化的M1-1合金中的第二相粒子全部溶入到基体中,而Ta微合金化后仍能使得M2-1~4合金中的第二相粒子存在于基体晶界处,有效抑制体积晶粒的异常长大,且随着Ta含量的增加,形成的Fe2(Mo,Nb,Ta)复合Laves相中Ta的含量也增加;在Mo/Nb=2:1的成分基础上再用Zr进行合金化,Zr的加入能有效的提高改性合金的组织稳定性,在经过1000°C~1200°C高温回溶后基体晶界上还较多的析出相存在,有效的钉轧了高温下铁素体晶粒的长大,但Zr含量过高时,形成的富Zr析出相过于粗大,从而采用Zr进行合金化时Zr含量控制在0.1 wt.%为宜。