趙小軍， 梁 曉， 蔡圳陽， 肖來榮

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

中國低活化馬氏體(China low activation martensitic, CLAM)鋼具有抗輻照腫脹良好、熱膨脹系數(shù)較低、熱導(dǎo)率較高等熱物理性能[1-2]，已成為一種潛在的未來核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料。為了適應(yīng)國際熱核聚變實驗堆(ITER)實驗包層模塊的需要，解決聚變實驗堆中的氚極易通過結(jié)構(gòu)材料向外滲透的問題，需要在CLAM鋼結(jié)構(gòu)材料表面覆蓋一層阻氚涂層，目前以Fe-Al合金為過渡層，Al2O3膜作為外層的復(fù)合涂層體系被各參與國優(yōu)先選擇[3]，制備Fe-Al/Al2O3復(fù)合涂層的方法有化學(xué)氣相沉積[4]、噴涂[5]、熱浸鋁[6]、包埋滲鋁[7-8]、電化學(xué)沉積[9]等，其中包埋滲鋁法因其適用范圍廣、易工程化等優(yōu)點被優(yōu)先選用。包埋滲鋁是通過鋁源中的Al原子和鋼基體中的Fe原子間相互擴散在鋼表面形成Fe-Al 金屬間化合物過渡層，然后依據(jù)選擇性氧化原理，使Fe-Al層表面選擇性氧化形成一層薄的Al2O3膜。Al2O3具有多個相結(jié)構(gòu)，不同相結(jié)構(gòu)間轉(zhuǎn)化溫度不同，其中α-Al2O3的阻氚效果最好，但是α-Al2O3的轉(zhuǎn)化溫度很高，過高的熱處理溫度會影響結(jié)構(gòu)材料的強度。李華杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)CLAM鋼的使用溫度超過某一溫度范圍時，屈服強度會急劇下降；江琛琛等[11]研究了熱處理工藝對AFA耐熱鋼力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，試樣的晶粒尺寸和第二相組織的平均尺寸都會隨之增大；Liang等[12]通過SSRHT(模擬應(yīng)力消除熱處理)方法研究了多種熱處理方式對CLAM鋼拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著SSRHT循環(huán)次數(shù)的增加，CLAM鋼的硬度和強度逐漸下降，軟化速率降低，延性不斷增加，馬氏體板條晶界和析出相的作用導(dǎo)致了強度的降低和伸長率的增加，析出相的存在有利于提高硬度，但是這種效應(yīng)隨著析出相尺寸的增加而減弱，基體中大量合金元素的析出會使固溶強化作用減弱，從而導(dǎo)致強度降低。但目前關(guān)于滲鋁氧化處理對CLAM鋼力學(xué)性能影響的報道較少。

本文采用合適的工藝參數(shù)對CLAM鋼進行滲鋁及后續(xù)氧化處理，通過EPMA技術(shù)研究滲鋁氧化處理后CLAM鋼表層的微觀組織及元素分布，然后通過納米壓痕和室溫拉伸試驗分別獲取滲鋁氧化處理后CLAM鋼的硬度分布和拉伸性能參數(shù)，最后采用SEM觀察了滲鋁氧化處理前后CLAM鋼拉伸斷口形貌變化，以期為減少滲鋁氧化處理對CLAM鋼力學(xué)性能的影響提供參考和依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗所用的CLAM鋼具體化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分: 室溫試驗方法》先在CLAM鋼上平行于軋向切取拉伸試樣(取矩形橫截面拉伸試樣如圖1所示)，再用砂紙去除表面氧化層，超聲清洗后將試樣埋入按一定比例配置并混合均勻的滲劑中(滲劑組成為15%Al粉、1%NH4Cl和84%Al2O3，質(zhì)量分數(shù))，壓實裝蓋后于900 ℃氬氣氛中保溫6 h，隨爐冷至室溫后將試樣取出并置于750 ℃空氣中保溫3 h進行熱擴散處理。為了在滲層表面形成均勻致密的Al2O3膜，同時盡量減少熱處理對基體強度的影響，熱擴散處理后的試樣經(jīng)表面拋光后，選擇CLAM鋼的標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝對試樣進行原位氧化處理，具體工藝為將試樣放入管式爐于980 ℃氬氣流(純度99.99%，3 L/min)中保溫30 min，取出空冷，再接著放入管式爐于750 ℃氬氣流(純度99.99%，3 L/min)中保溫90 min后取出空冷(滲鋁氧化處理后的CLAM鋼試樣簡稱PC試樣)。

表1 CLAM鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù), %)

圖1 拉伸試樣尺寸

使用D/max 2550型X射線衍射儀(XRD)分析表面鋁化物涂層的相組成(Cu靶，40 kV，250 mA)；使用JXA-8230R型電子探針顯微分析儀(EPMA)對涂層截面微區(qū)進行面掃描獲得元素分布，用于元素分析的微觀組織直接從拉伸試樣上切??；使用UNHT型納米壓痕儀測試樣品由表面至內(nèi)部的硬度分布，加載速度40 mN/min,最大載荷20 mN，加載時間10 s。為了研究滲鋁處理對CLAM鋼力學(xué)性能的影響，使用MTS Landmark型拉伸試驗機分別測試CLAM鋼滲鋁氧化處理前后的室溫拉伸性能，加載速率為1 mm/min，直至試樣斷裂。切取拉伸試樣斷口并超聲清洗后，使用MIRA3 TESCAN型場發(fā)射掃描電鏡觀察宏觀斷口形貌和斷口源區(qū)特征。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲鋁氧化處理后CLAM鋼的組織結(jié)構(gòu)表征

圖2為CLAM鋼在滲鋁氧化處理后(PC試樣)表面物相的XRD分析結(jié)果。可見在先后經(jīng)滲鋁、熱擴散和原位氧化處理后，CLAM鋼基體中的Fe原子與滲劑中的Al原子充分相互擴散，在CLAM鋼表面形成了均勻致密的FeAl相層，同時在FeAl相層表面形成了Al2O3膜，通過比對PDF卡片確定形成的為α-Al2O3。

圖2 PC試樣的表面XRD圖譜

圖3是PC試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)及元素分布。由圖3(a)可知，滲鋁氧化處理后CLAM鋼表面形成了具有兩層結(jié)構(gòu)的鋁化物涂層，涂層致密無明顯孔洞，結(jié)合表2中對圖3(a)中各點的EDS分析可知，由于950 ℃的氧化溫度提供了較高的擴散激活能，F(xiàn)e與Al原子的充分互擴散形成了外層厚約30.8 μm的FeAl相，這與XRD物相分析的結(jié)果一致。從Al和Fe元素分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著距表層深度的增加，Al元素的含量逐漸降低，F(xiàn)e元素的含量逐漸增加，內(nèi)層較低且逐漸遞減的Al含量使Fe、Al無法形成Fe-Al相只能形成α-Fe(Al) 固溶體，厚度約70.7 μm，其分析結(jié)果與EDS分析結(jié)果一致。

表2 圖3(a)中各點的EDS分析結(jié)果

2.2 滲鋁氧化處理后CLAM鋼的顯微硬度

圖4分別是對PC試樣截面進行納米壓痕試驗的

壓痕示意圖、載荷-壓深關(guān)系曲線以及硬度分布曲線。由圖4(a)可知，從涂層最外層開始，向內(nèi)部每隔20 μm選一個點，共選取8個點測量硬度，其中涂層外層選取一個點，涂層內(nèi)層選取4個點，基體選取3個點。結(jié)合圖4(b，c)的載荷-壓深關(guān)系曲線和硬度分布曲線，雖然壓頭的加載速率和最大載荷相同，但壓頭在每個位置的壓深是不同的，點1處的壓深最小為314 nm，點6處的壓深最大為483 nm，PC試樣截面硬度值由外向內(nèi)逐漸降低，最外層FeAl相的硬度值最高，為834.7 HV，涂層內(nèi)層由α-Fe(Al)固溶體組成，硬度值隨著Al含量的降低也逐漸降低，從點2處的640.3 HV下降至點5處的315.1 HV，因為滲鋁氧化過程中的多次熱處理，靠近涂層處的基體晶粒尺寸相比基體心部更大，所以隨著向基體內(nèi)部的深入，硬度出現(xiàn)略微上升，滲鋁處理可以有效提高CLAM鋼的表面硬度。

圖4 PC試樣納米壓痕試驗

2.3 滲鋁氧化處理對CLAM鋼拉伸性能的影響

CLAM鋼在滲鋁氧化前后的拉伸性能結(jié)果和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如表3和圖5所示，CLAM鋼和PC試樣的抗拉強度分別為581.38 MPa和555.83 MPa，屈服強度分別為580.73 MPa和555.81 MPa，CLAM鋼在滲鋁氧化后的抗拉強度和屈服強度均下降了約25 MPa，兩者的屈強比均接近于1，說明材料在塑性階段的變形能力較弱，CLAM鋼和PC試樣的彈性模量分別為205 GPa和174 GPa，PC試樣的彈性模量更低，剛度更小，更易發(fā)生變形，彈性階段結(jié)束后，沒有明顯的屈服點，曲線平滑的轉(zhuǎn)為塑性變形階段，變形的同時伴隨著加工硬化[13]。根據(jù)對實際斷后標(biāo)距的測量，CLAM鋼和PC試樣的斷后伸長率分別為30%和28%，滲鋁氧化處理后的CLAM鋼略微下降了2%。CLAM鋼在室溫下具有高的抗拉強度和屈服強度，主要是因為馬氏體中彌散分布的第二相粒子有效阻止了位錯的運動[14]，在經(jīng)過滲鋁氧化處理后，彌散分布的第二相粒子聚集長大，材料的韌性降低。

表3 CLAM鋼和PC試樣的拉伸性能結(jié)果

圖5 CLAM鋼試樣和PC試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6為CLAM鋼的拉伸斷口形貌。可見CLAM鋼拉伸斷口的宏觀形貌由內(nèi)向外依次呈現(xiàn)纖維源區(qū)和剪切唇區(qū)，在多滑移系的共同作用下，纖維源區(qū)并不平整，韌窩數(shù)量多，大小不一且韌窩深度深，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂，材料發(fā)生塑性變形時會優(yōu)先在界面上形成裂紋源，在界面上彌散分布的第二相粒子誘發(fā)空穴成核并在滑移的作用下逐漸長大，和其它空洞連接在一起形成了韌窩斷口[15-16]。PC試樣的拉伸斷口形貌如圖7所示。從圖7(a)的宏觀形貌中不僅能看到圖7(c)中的韌窩，還能發(fā)現(xiàn)圖7(d)中大量層片狀的準(zhǔn)解理面，這些層片狀臺階通過把不同裂紋連接起來以減慢裂紋前沿的擴展，斷裂模式由韌性斷裂變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂，準(zhǔn)解理是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂模式[17]，滲鋁氧化過程中的熱處理使晶粒尺寸增大，第二相粒子聚集長大，發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂的可能性也增大，滲鋁氧化處理后CLAM鋼的強度降低，這與拉伸試驗得到的拉伸性能結(jié)果相吻合。強度降低的同時伸長率會相應(yīng)增加，但由圖7(b)的斷口邊緣處可以明顯觀察到表面涂層在平行于涂層方向的單軸應(yīng)力的作用下發(fā)生破碎，納米壓痕分析表明表面涂層相較于基體屬于硬度更高的硬質(zhì)相，其在單軸拉應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生裂紋，由于表面涂層與基體在熱處理過程中發(fā)生了冶金結(jié)合，涂層處產(chǎn)生的裂紋源可以擴展至基體內(nèi)部加速材料的斷裂，所以滲鋁處理后CLAM鋼強度下降的同時斷后伸長率也下降了2%。

圖6 CLAM鋼的拉伸斷口形貌

圖7 PC試樣的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1) CLAM鋼在經(jīng)過滲鋁、熱擴散和原位氧化處理后可以在表面形成由約30.8 μm厚的FeAl相層和約70.7 μm厚的α-Fe(Al)固溶體層組成的鋁化物涂層。

2) 納米壓痕分析表明鋁化物涂層的硬度明顯高于基體硬度，說明滲鋁處理可以有效提高CLAM鋼的表面硬度。

3) CLAM鋼在滲鋁氧化處理后屈服強度、抗拉強度和彈性模量均出現(xiàn)了下降，斷后伸長率下降了2%，斷裂模式由韌性斷裂變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂，說明滲鋁氧化處理會使CLAM鋼的韌性和強度出現(xiàn)一定程度的下降，同時在表面涂層處易產(chǎn)生裂紋源從而加速材料斷裂。