15000小时高温不软化！中科院金属所团队打造出“核-壳”ODS钢，实现强度与韧性高度协同

2025-10-27 17:16:23 作者：本网发布来源：材料强化与防护分享至：

在结构材料的设计领域，首要考虑的就是材料是否能够“撑得起”，即它最为基础的强塑性是否适配，例如高强材料往往伴随着低塑性，高韧材料通常也较软，无法承受极高载荷，而解决了“撑得起”这一问题之后，便需要考虑材料是否能够“撑得久”，尤其是在极端环境中，目前，很多结构材料体系在高温条件下服役数千小时后依然会迅速软化和失效。传统氧化物弥散强化钢（ODS钢）曾被视为解决这一问题的潜力材料，但在高温长时暴露下，其通过纳米氧化物颗粒容易发生粗化、界面非相干、元素重新分布甚至诱导碳化物长大，最终造成强度衰减和韧性降低，难以满足下一代核反应堆的要求。

针对这一挑战，中科院金属研究所与中国科学技术大学联合山东大学的宋克鹏研究员提出在9Cr-ODS钢中构建纳米级“核-壳”（core–shell）复合弥散颗粒结构，利用Y₃TaO₇作为强化核心，以VN形成稳定外壳，不仅实现了界面完全相干和高位错钉扎效率，还能有效抑制元素扩散和颗粒粗化。基于这一创新设计，团队成功制备出一种强度约1028MPa，韧性约87.5J/cm²，并在700℃下长时服役15000h后仍几乎无性能衰减的新型ODS钢，性能远超传统ODS钢和F/M钢。这一成果以“Enhanced strength-toughness synergy and high temperature stability of a novel ODS steel with core-shell nanoparticles”为题于近期发表在国际材料领域权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》，通讯作者为中科院金属所的李艳芬研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.08.035

【核心内容】

该研究在9Cr-ODS钢中构建纳米级“核-壳”复合颗粒结构，研究了这种新型ODS钢的力学性能，包括硬度、拉伸韧性和冲击韧性，通过在700℃下长达15000h的热老化实验，考察了样品的稳定性，并讨论了具有核-壳结构的纳米颗粒的可能形成机理和优势，团队提出的这种核壳纳米粒子强化的设计思路将为第四代核裂变反应堆和聚变反应堆的高性能钢发展提供有益的指导。

图形摘要

核-壳结构纳米颗粒在ODS钢中的设计示意图

【研究方法】

研究团队采用粉末冶金工艺制备该新型ODS钢，具体流程包括：

气雾化合金化粉末+0.3wt.% Y₂O₃粉末混合球磨（20h）；
热等静压（HIP）于1150℃、100MPa、4h；
后续热轧、正火（1100℃/1h）及回火（750℃/1h）处理。

在后续测试中，团队通过EBSD、TEM、HRTEM及EDS等手段系统表征了材料的晶粒结构、位错密度及纳米颗粒形貌与成分分布。

【研究成果】

① 构建Y₃TaO₇@VN核心-壳纳米颗粒，实现细晶强化与位错钉扎双重作用

经热处理后的9Cr-ODS钢呈典型回火马氏体组织，平均晶粒尺寸仅0.89μm，位错密度高达1.6×10¹⁵ m^-2。TEM与EDS结果显示，纳米颗粒均匀分布于基体中，呈现清晰的核心（Y、Ta、O富集）—壳层（V、N富集）结构，厚度约1-2nm。HRTEM证实该结构与基体完全相干，在位错处形成高效钉扎点。

EBSD分析结果

热处理后晶粒形态、纳米颗粒及晶界钉扎效应

TEM、HRTEM、FFT及EDS元素分布

② 700℃×15000h高温老化下保持尺寸、密度和结构稳定

在长期的高温老化试验中，具有核壳结构的9Cr-ODS钢表现出了超强的稳定性，15000h后，钢的晶粒尺寸、位错密度与纳米颗粒结构都没有明显的变化，晶粒尺寸维持在0.9μm范围内，颗粒结构的平均粒径仅由6.5nm略增至6.7nm，且仍保持稳定的成分分布及相干界面，无明显粗化或结构演化，这种长期稳定性远超传统的Y-Ti-O型ODS钢。

晶粒尺寸、分布、晶界密度及位错强度变化

晶粒/亚晶形态、纳米颗粒及钉扎作用展示

老化后纳米颗粒化学成分分析

③ 实现强度-韧性协同与高温性能稳定，15000h后仍无衰减

室温下，该钢材具有932MPa的屈服强度，1028MPa的抗拉强度和14.8%的断裂延伸率和冲击吸收功高达87.5J/cm²，这一室温性能远超大多数ODS钢。而在在700℃高温老化15000h后，其1018MPa的抗拉强度和16.5%的延伸率更是证明了核壳结构的9Cr-ODS与F82H、CLAM及G115等代表性F/M钢相比，在高温服役下的具有更好的强塑稳定性。