1. 研究目的与意义（文献综述）

目的及意义：随着原子能科学的不断发展，核能作为一种新型能源，正在受到各国的普遍重视。然而，由于核辐射及核爆炸等危险的存在，如何保障核能在使用过程中的安全可靠性，使核电站能够按照人们的意志安全有效地运行，已成为各国科学家十分关注和研究的重要课题。聚变堆作为先进的反应堆堆型受到了广泛关注。聚变堆的第一壁，是反应堆中距离等离子体最近的部件，直接承受氖氖聚变反应产生的氦、大量高能中子、电磁波、质子等粒子流的多重作用，会引起表面原子的溅射，产生大量的辐射缺陷，使其宏观性能发生变化。具体表现为材料体积膨胀、辐射硬化、韧脆转变温度升高和辐射疲劳等，最终导致失效，从而影响设备安全性。因而聚变堆的第一壁要求材料具有优良的高温强度，优异的抗辐照和抗氦脆能力和高的耐腐蚀性等，为此，需要研制出更高性能的材料来保证核反应堆的安全性。奥氏体不锈钢由于优良的抗腐蚀和抗热蠕变能力成为实验快堆燃料包壳的材料，但在高辐照剂量下(gt;70 dpa)产生明显的辐照肿胀，不满足未来示范快堆和商业快堆的要求.低活铁素体/马氏体(RAFM)钢，其优异的抗肿胀能力、高热导率和低膨胀系数，且材料中不含有辐照后产生强放射性的元素(Mo, Nb和Ni),使其成为先进反应堆(包括快中子堆和聚变堆)关键结构材料的主要候选材料，但其高温强度不足，工作温度的上限是550℃.纳米结构氧化物弥散强化(ODS)钢由于存在极高密度弥散分布的纳米尺寸富Y-Ti-O强化相，具有更加优异的抗辐照、抗肿胀性能的同时能够显著提高材料的高温强度，有效抑制氦脆，成为快堆燃料包壳的优先候选材料.纳米结构ODS钢的优异性能主要取决于其极高密度的纳米尺度的富Y-Ti-O纳米团簇。因此，纳米结构氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢的开发对提高反应堆的热效率、保证反应堆的安全性、减少环境污染和长寿命运行具有重要意义。但纳米结构氧化物弥散强化钢由于其制造工艺繁琐，难于实现商业化。因此，本课题拟在在制造纳米结构氧化物强化钢中添加Si，以求改善其生产工艺，并对其进行微观结构观察和性能表征实验

研究现状：经过广泛和深入的探索，近年发现，添加的同时添加适量的Ti，通过机械合金化过程中氧化物和Ti的固溶一热固体化过程中富Y-Ti-O纳米相析出，可以制备出一种新型的氧化物弥散强化钢，即纳米结构的ODS钢(Nano-structured oxide dispersiontrengthened steel)，它具有极高密度的纳米尺寸富Y-Ti-O析出相，可以进一步提高材料的使用温度，并且使氦以纳米尺寸的微细氦泡的形式弥散于材料中，避免了在晶界上形成粗大的氦泡，明显改善了材料的抗辐照性能有望用作未来先进聚变堆的第一壁材料及快中子反应堆的包壳材料。纳米结构ODS钢的优异性能主要取决于其极高密度的纳米尺度的富Y-Ti-O纳米团簇.纳米洁构ODS钢中析出相的种类/比例与成分和制备工艺有密切的关系，已报道的析出相有从氧化物Ti02和Y203,亚氧化物Y2Ti03和各种氧化物中间相(包括黄绿石结沟的YZTi207和YZTi05)到与基体共格的纳米团簇或U.P.区，还有碳化物，金属间化合物等.纳米结构ODS钢目前正处在研发的早期阶段，一些基础的问题如制备过程中粉末组织结构的演变，析出相的种类与成分和制备工艺的关系，析出相的稳定性等仍不完全清楚。Si的添加可以降低其熔点，有利于烧结的进行，另外还可以减少辐照孔洞的产生。因此，纳米结构ODS钢迅速成为国际上聚变堆结构材料的研究热点和第一壁材料的发展方向。纳米结构ODS钢已经列入欧盟、美国和日本的聚夺堆和第四代裂夺堆研究计划。

2. 研究的基本内容与方案

1）nfa材料的制备:试用原料有羰基铁粉（纯度不小于99.5%）、铬粉（纯度不小于99.95%）、钨粉（纯度不小于99%）、y₂o₃粉（纯度不小于99.5%），配置成混合粉，在qm-bp型行星球磨机上进行机械合金化，球料比是影响机械合金化效果的一个主要原因，经过以往研究分析球料比为20:1、球磨转速设为220·、球磨时间为48h后的合金化效果最好，本次实验机采用此数据机械合金化，球磨过程中添加质量分数为2.0%的硬脂酸作为过程控制剂；球磨后的粉体采用单向模压成型，压力为600mpa,保压时间1min；最后在wzds-20b型真空烧结炉内以1390°c真空烧结，时间为1.5h。

2）对试样进行力学性能测试：在zwick/roell z020型拉伸试验机测试拉伸性能，拉伸速率为1.5mm·;用mvk-c型硬度仪测量硬度；

3）nfa材料超微观结构观察：用x’pertpro型x射线衍射仪(xrd)对球磨后的粉体以及烧结体进行物相分析；用olympus pmg3光学显微镜观察烧结体的空隙;用质量分数为5%的硝酸酒精溶液腐蚀试样后用quanta200型扫描电子显微镜（sem）观察烧结体的表面及拉伸后的断口的形貌；

4）建立性能与超微结构的初步联系

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和社备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：按照设计方案，制备性能较好的nfa合金粉末。

第7－10周：进行真空烧结实验并进行力学性能测试。

第11-13周：采用xrd、fe-sem、tem等测试技术对纳米相等超微结构进行分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] fischer j j, astley i , morse j p. proc of third ins, symposium on superalloys. metallurgy and manufacture clatior’s publishing division, baton, rouge, 2010, 1:361

[2]gan k, gu m. the compressibility of cu/sicp powder prepared by high-energy ball milling[j]. j mater res, 2008, 199: 173-7

[3]phasha m, maweja k, babst c. mechanical alloying by ball milling of ti and mg elemental powders: operation condition considerations. j alloys compd. 2010, 492: 201-7.