Kürzlich haben Forscher des Instituts für Kernenergiesicherheit Seltenerdoxide von Cer (Ce) und Praseodym (Pr) in einen chinesischen niedrigaktivierten martensitischen (CLAM) Stahl eingebracht und so die mechanischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessert. Diese Forschungsergebnisse wurden im Journal of Nuclear Materials, einer führenden Fachzeitschrift auf dem Gebiet der Kernmaterialien, veröffentlicht.

CLAM-Stahl gilt aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seines relativ ausgereiften Herstellungsprozesses als idealer Kandidat für Strukturmaterialien für Fusionsreaktor-Blankets. Seine Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen müssen jedoch noch weiter verbessert werden. Die Oxiddispersionshärtung (ODS) ist eine effektive Strategie zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften von Stahl. Während die Rolle yttriumreicher (Y) Oxide als härtende Phase umfassend belegt ist, ist das Potenzial anderer Seltenerdoxide bei der Stahlhärtung weniger systematisch untersucht.

In dieser Studie wurden zwei ODS-CLAM-Stahlproben mit Ce- bzw. Pr-reichen Oxiden mittels mechanischer Legierungs- und Funkenplasmasinterverfahren hergestellt. Ihre mikrostrukturelle Entwicklung und ihr mechanisches Verhalten wurden systematisch analysiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass beide Seltenerdoxide die Kornverfeinerung effektiv fördern und eine hohe Dichte an Nanooxidpartikeln innerhalb der Stahlmatrix bilden. Weitere Grenzflächenanalysen zeigen das Vorhandensein einer spezifischen kohärenten Grenzfläche und einer kristallografischen Orientierungsbeziehung zwischen den Nanopartikeln und der Matrix. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zeigen Pr-reiche Oxide einen ausgeprägteren festigkeitssteigernden Effekt, während Ce-reiche Oxide eine gute synergistische Optimierung zwischen verbesserter Materialfestigkeit und Duktilität erreichen.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass sowohl Ce-reiche als auch Pr-reiche Oxide als wirksame Verstärkungsphasen für ODS-Stähle dienen können und neue Ideen und experimentelle Grundlagen für die Konstruktion und Leistungsoptimierung von Strukturmaterialien für Fusionsreaktoren liefern.

Die Forschungsarbeit des Instituts für Kernenergiesicherheit wird durch Projekte wie das International Partnership Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gefördert.