1. 课题来源与背景： 项目经费预算10万元，在“包干制”前提下，严格按照广东省科技经费使用范围和有关规定使用，并完成了经费决算。核燃料包壳材料被誉为核反应堆的“第一道安全屏障”，Zr合金是目前商用核电站反应堆燃料元件的唯一包壳材料。然而，2011年福岛核事故的发生暴露了Zr合金在抵抗严重事故能力方面的不足，即在1200 °C下会与水蒸汽发生锆水，生成H2，引发氢爆，最终导致裂变产物泄露。因此需要研发性能更加优异的耐事故容错(ATF)包壳材料用以替代现有Zr合金，该材料不仅要求具有较好抗辐照肿胀能力、抗均匀腐蚀性能、较小的中子吸收截面、以及长期稳定的导热性能外，还要求具备优异的抗高温蒸汽氧化能力，且在事故条件的温度下(1000~1200 °C)保持良好的力学性能，以保证失水状况下核燃料元件的结构完整性，提高核反应堆的安全性能。Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢具有优异的抗高温蒸汽氧化能力、耐蚀性、抗中子辐照能力等优点，是压水堆中ATF包壳的最佳候选材料。但是该合金用作ATF包壳材料还存在如下问题待解决：1）需要对现有合金进行成分改良，通过调整微合金化元素的种类和含量，以析出具有更高热稳定性的Laves相，使其能在失水事故温度下存在更长时间，抑制铁素体晶粒长大，改善包壳管材的高温强度；2）进一步研究第二相析出形核与长大的机制，以更深入理解微量合金化元素对组织稳定性的影响；3）需要对FeCrAl系合金进行系列高温力学性能测试，尤其是蠕变行为，并对蠕变后第二相粒子的形貌、尺寸及数量进行观察，以探究在外加载荷和温度的共同作用下，合金中第二相析出的演变规律，进一步认识合金的蠕变机制。

    2. 研究目的与意义： 本项目在申请人前期研究的基础上，采用“团簇加连接原子”结构模型作为合金成分设计的理论基础，对FeCrAl系合金进行Ta/Zr微合金化，采用实验和数值模拟手段系统研究Ta/Zr对改性合金基体组织及第二相析出的演变规律，并对系列改性合金的室温及高温力学性能、蠕变性能进行测试，建立FeCrAl系合金中成分-组织-性能三者之间的关系，为我国压水堆耐事故容错燃料包壳材料的研发提供基础数据积累与技术支撑。

    3. 主要论点和论据： 1）Laves相强化的FeCrAl不锈钢高温组织演变和力学性能研究：探讨了MoNb改性FeCrAl不锈钢在800°C/400h时效过程中以及1000~1200°C/1h退火处理后的组织演变及力学性能变化。结果表明，合金在800和1000°C具有优异的高温组织稳定性，然而在1100°C以上Laves相大量回溶至基体，使基体晶粒显著粗化，1200°C时晶粒尺寸迅速长大至310 μm以上，从而导致合金表现出脆性解理断裂特征。 2）Laves相和Fe23Zr6相共同强化的FeCrAl合金设计和性能研究：以Fe-13Cr-4.5Al-2.0Mo-1.0Nb (wt.%)为基础合金，使用不同含量的Ta或Zr替代部分的Nb，探究了Ta、Zr对Fe-Cr-Al系合金析出相行为和组织稳定性的影响。结果表明，Zr加入对Fe-Cr-Al系合金第二相析出的体积分数、尺寸及分布等不会产生显著的影响，但是Zr (0.07 wt. %)的加入不仅会促进MgNi2型的Fe2Zr-Laves相析出，且随着Zr含量增加(0.33 wt. %)，还会形成Fe23Zr6相，该析出相比Laves相具有更高的热稳定性，合金经过1200°C/1h回溶处理后，晶粒尺寸仍能保持在120um，Fe23Zr6有望用作Fe-Cr-Al系合金中的新型强化相；另一方面，较高含量的Zr加入还能够提高合金的回复再结晶温度，从而提高合金的组织稳定性，抑制基体晶粒在高温下的长大。 3）Laves相和多尺度B2-NiAl相协同强化的FeCrNiAl系合金设计和性能研究：初步设计了Laves相和多尺度B2相共同强化的FeCrNiAl系中熵合金，结果表明，初生B2形成于合金的冷却过程，二次B2是在时效过程中通过经典的形核和长大方式析出的，三次B2是通过调幅分解的方式析出的；大尺寸原子半径元素的添加，如Mo、Nb、Ta等，通过在B2/BCC界面处的富集和改变B2/BCC之间的错配度，可以有效提高B2相的高温稳定性，同时也可以显著提高Laves相的析出温度和热稳定性；此外，得益于多尺度B2和Laves相在变形过程中能发挥不同的强化作用，设计合金表现出良好的压缩力学性能，屈服强度高达1.2GPa，抗拉强度达到2.1GPa，且塑性仍然保持在18%；而且该合金中B2相在不同温度条件下析出，可以弥补高温下因析出相尺寸粗化而导致合金软化的缺陷，使设计合金即使在800C保温400h后，硬度依然保持在400HV以上。

    4. 创见与创新： 1）FeCrAl系合金中面心立方结构(FCC)的Fe23Zr6相比密排六方结构的Fe2M-Laves相具有更高的热稳定性，本工作探究了影响Fe23Zr6热稳定性的因素，发展了Laves相和Fe23Zr6相强化的FeCrAl系合金，为FeCrAl系合金的高温力学性能优化提供新思路； 2）本项目开发了Laves相和B2相共同析出的BCC结构高熵合金，利用这两个析出相在不同温度对合金组织稳定性和高温力学性能的积极作用，获得综合性能优异的FeCrNiAl-M高熵合金。与Laves相或B2相单独强化的合金相比较，该研究对象的合金成分、微观结构、相形成和组织稳定机制等都有明显差异，研究对象具有一定的创新性。

    5. 社会经济效益、存在的问题： 本项目开发了Fe2(Mo,Nb)-Laves和Fe23Zr6相共同强化的FeCrAl合金。探究了合金在室温和高温下的力学行为，发现了合金韧脆转变的临界晶粒尺寸，为合金成分优化提供指导。针对非共格析出相在辐照条件下容易非晶化的缺点，开发了多尺度共格B2-NiAl和非共格Lavas相协同强化的新型FeCrNiAl合金，并探究了多种析出相的形成和稳定机制，为ATF包壳材料的开发提供了大量基础数据支撑。