含稀土氧化物的铁素体/马氏体钢因具有优异的高温力学性能和抗辐照性能,而被视为未来裂变堆包壳管和聚变堆包层结构的重要候选材料。目前氧化物弥散强化钢的主要的制备方法为粉末冶金工艺:氧化钇粉末与钢粉末经过长时间高能球磨机械合金化、混合粉体经过热等静压成型、再经过热挤压等机械加工,获得棒料或板材。为避免粉末冶金工艺的批量小、流程长、稳定性差等缺陷,国内外正在积极探索稀土氧化物弥散强化钢的可规模化低成本制备新工艺。本论文在前期开发的中国核能用钢(China Nuclear Steel,CNS)基础上,结合稀土钢与氧化物冶金原理,采用熔炼铸造工艺制备氧化物弥散强化钢CNS-I-Y,对钢的微观组织、强度和韧性、高温蠕变性能、抗辐照肿胀性能、焊接性能进行了系统表征。论文主要研究内容和结论如下:1.CNS-I-Y钢的真空感应熔炼制备和微观组织表征研究。(1)采用“真空感应熔炼+锭模预加氧载体”工艺制备了 2公斤铸锭,SEM、TEM、EDS及SADP表明其基体中分布有Y2O3颗粒,颗粒尺寸介于0.2-1.1μm、体数密度约为3×1015 m-3。淬回火处理没有改变Y2O3的尺寸大小和分布特点。该结果表明所采取的工艺能够使钢中形成弥散分布的稀土氧化物颗粒,但需要通过工艺优化减小氧化物颗粒尺度。(2)通过工艺调整优化,采用“真空感应熔炼+锭模预加钇粉”的工艺制备了 50公斤级铸锭。Cs-TEM分析表明,其基体中弥散着1-5 nm的第二相粒子,且大多数粒子的直径为1 nm,界面表现为共格关系。3D-APT表明,这些粒子为Y-Ti-O相,数密度约为6×1024m-3,体积分数约为0.3%。高数密度纳米尺度氧化物的形成表明该工艺制备稀土氧化物弥散钢的可行性。(3)研究钇加入量对钢组织均匀性、相变点和热处理制度的影响,结果表明:当Y的加入量不超过0.3 wt.%时,其在钢中分布均匀,当Y含量达到0.6 wt%时,其在钢锭底部发生聚集。随着Y含量的增加,Ac1单调下降而Ac3单调上升,表明Y是铁素体形成元素。同时增加Y含量可以细化原奥氏体晶粒但会提高铁素体含量。综合考虑晶粒度、相组成和钢服役温度,确定CNS-I-Y钢的最优热处理制度为1050℃淬火/油冷-750℃回火/空冷。2.CNS-I-Y钢的力学性能分析和强韧化机制研究。通过夏比冲击、室温拉伸、高温拉伸、高温蠕变等试验,研究CNS-I-Y的力学性能,并与CNS-I进行性能对比,分析CNS-I-Y钢的强韧化机制。(1)夏比冲击试验表明CNS-I-Y钢的DBTT为-77℃,比CNS-I钢(-59℃)低18℃,比文献报道粉末冶金ODS钢的DBTT(～0℃)低77℃,表现出优异的低温韧性。纳米氧化物的细晶作用、少量铁素体相、钇元素净化晶界和变质夹杂的综合作用是CNS-I-Y钢具有高韧性的主要原因。(2)室温拉伸时,CNS-I-Y钢和CNS-I钢的屈服强度分别为723和529 MPa,强度提高了约200 MPa;600℃拉伸时,CNS-I-Y钢和CNS-I钢的屈服强度分别为387和290 MPa,提高了约100 MPa。与文献数据对比,CNS-I-Y钢与粉末冶金ODS钢具有相近的屈服强度。(3)在650℃、120 MPa、空气环境下,根据国标标准对CNS-I-Y钢和CNS-I钢开展蠕变试验,CNS-I-Y钢的蠕变寿命为3000-4000 h,对应的最低稳态蠕变速率为2.0×10-4-3.0×10-4%/h;CNS-I钢的蠕变寿命为1000 h,最低稳态蠕变速率为4.5×10-4-7.0×10-4%/h。CNS-I-Y钢的蠕变寿命提高3-4倍,蠕变速率减低一半以上。CNS-I-Y钢的蠕变性能优于传统F/M钢Eurofer97和F82H。(4)CNS-I-Y钢中Y-Ti-O纳米粒子的强化本质是其与运动位错之间的相互作用。Y-Ti-O纳米粒子的强化机制与温度紧密相关。室温下主要为Orowan强化机制。高温下,刃位错的攀移和螺位错的交滑移变得显著,位错以攀移或交滑移形式越过第二相时,位错可被钉扎在其越过第二相的解离侧,从而形成强化效果。计算表明CNS-I-Y钢中Y-Ti-O相的室温Orowan强化贡献约为378 MPa,600℃时位错脱钉的强度贡献约为147 MPa。3.CNS-I-Y钢的使用性能评价,包括钢的辐照性能和焊接性能。(1)抗辐照性能方面,采用Fe离子对CNS-I-Y钢,CNS钢和商用T91进行了 100 appm预注He、475℃、200 dpa条件下的重离子辐照。CNS钢和T91中观察到了一定数量的空位团,平均尺寸分别为29.4 nm和19.1 nm,数密度分别为0.32×1020m-3和12.9×1020 m-3,肿胀率分别为0.05%和0.63%。CNS-I-Y钢中未见空位团,肿胀率几乎为零。(2)焊接性能方面,采用激光焊接技术实现了 CNS-I-Y钢的可靠连接。与CNS焊接接头相比,CNS-I-Y钢焊接接头具有更高的强度和更好的蠕变性能。CNS-I-Y钢焊接接头在700℃下的抗拉强度达到512MPa,在700℃,170 MPa和130 MPa下的稳态蠕变速率分别为9.4×1 0-2%/h和3.87×10-2%/h。同时CNS-I-Y钢的鱼骨形和拘束窗口形热裂纹试验表明其焊接热裂纹敏感性较低,可焊性较好。综上,本研究首次采用真空感应熔炼技术利用氧化物冶金原理制备了稀土纳米氧化物弥散分布的新型CNS-I-Y核电用钢,Y-Ti-O粒子的尺寸约为1 nm、数密度约为6×1024 m-3,体积分数约为0.3%。纳米氧化物颗粒的存在显著提高了钢的力学性能,抗辐照性能和焊接性能。