A novel fabrication method of oxide dispersion strengthened (ODS) steel cladding tubes for advanced fast reactors has been investigated using the cold spray powder-based materials deposition process. Cold spraying has the potential advantage for rapidly fabricating ODS cladding tubes in comparison with the conventional multi-step extrusion process. A gas atomized spherical 14YWT (Fe-14%Cr, 3%W, 0.4%Ti, 0.2% Y, 0.01%O) powder was sprayed on a rotating cylindrical 6061-T6 aluminum mandrel using nitrogen as the propellant gas. The powder lacked the oxygen content needed to precipitate the nanoclusters in ODS steel, therefore this work was intended to serve as a proof-of-concept study to demonstrate that free-standing steel cladding tubes with prototypical ODS composition could be manufactured using the cold spray process. The spray process produced an approximately 1-mm thick, dense 14YWT deposit on the aluminum-alloy tube. After surface polishing of the 14YWT deposit to obtain desired cladding thickness and surface roughness, the aluminum-alloy mandrel was dissolved in an alkaline medium to leave behind a free-standing ODS tube. The as-fabricated cladding tube was annealed at $1000^{\circ}C$ for 1 h in an argon atmosphere to improve the overall mechanical properties of the cladding.
Oxide dispersion-strengthened (ODS) steel has excellent high-temperature properties, corrosion resistance, and oxidation resistance, and is expected to be applicable in various fields. Recently, various studies on mechanical alloying (MA) have been conducted for the dispersion of oxide particles in ODS steel with a high number density. In this study, ODS steel is manufactured by introducing a complex milling process in which planetary ball milling, cryogenic ball milling, and drum ball milling are sequentially performed, and the microstructure and high-temperature mechanical properties of the ODS steel are investigated. The microstructure observation revealed that the structure is stretched in the extrusion direction, even after the heat treatment. In addition, transmission electron microscopy (TEM) analysis confirmed the presence of oxide particles in the range of 5 to 10 nm. As a result of the room-temperature and high-temperature compression tests, the yield strengths were measured as 1430, 1388, 418, and 163 MPa at 25, 500, 700, and 900℃, respectively. Based on these results, the correlation between the microstructure and mechanical properties of ODS steel manufactured using the composite milling process is also discussed.
In order to expand the application of oxide dispersion-strengthened (ODS) steel, a composite material is manufactured by adding mechanically alloyed ODS steel powder to conventional steel and investigated in terms of microstructure and wear properties. For comparison, a commercial automobile part material is also tested. Initial microstructural observations confirm that the composite material with added ODS steel contains i) a pearlitic Fe matrix area and ii) an area with Cr-based carbides and ODS steel particles in the form of a $Fe-Fe_3C$ structure. In the commercial material, various hard Co-, Fe-Mo-, and Cr-based particles are present in a pearlitic Fe matrix. Wear testing using the VSR engine simulation wear test confirms that the seatface widths of the composite material with added ODS steel and the commercial material are increased by 24% and 47%, respectively, with wear depths of 0.05 mm and 0.1 mm, respectively. The ODS steel-added composite material shows better wear resistance. Post-wear-testing surface and cross-sectional observations show that particles in the commercial material easily fall off, while the ODS steel-added material has an even, smooth wear surface.
In this study, the effects of Co content on the microstructure and Charpy impact properties of Fe-Cr-W ferritic/martensitic oxide dispersion strengthened (F/M ODS) steels are investigated. F/M ODS steels with 0-5 wt% Co are fabricated by mechanical alloying, followed by hot isostatic pressing, hot-rolling, and normalizing/tempering heat treatment. All the steels commonly exhibit two-phase microstructures consisting of ferrite and tempered martensite. The volume fraction of ferrite increases with the increase in the Co content, since the Co element considerably lowers the hardenability of the F/M ODS steel. Despite the lowest volume fraction of tempered martensite, the F/M ODS steel with 5 wt% Co shows the highest micro-Vickers hardness, owing to the solid solution-hardening effect of the alloyed Co. The high hardness of the steel improves the resistance to fracture initiation, thereby resulting in the enhanced fracture initiation energy in a Charpy impact test at - 40℃. Furthermore, the addition of Co suppresses the formation of coarse oxide inclusions in the F/M ODS steel, while simultaneously providing a high resistance to fracture propagation. Owing to these combined effects of Co, the Charpy impact energy of the F/M ODS steel increases gradually with the increase in the Co content.
This study is conducted as a preliminary research to verify the feasibility of Ti-based Oxide dispersion strengthened (ODS) alloy. Pure-Ti powder is mixed with $Y_2O_3$ powder and subsequently, mechanically alloyed at $-150^{\circ}C$. The Ti-based ODS powder is hot-isostatically pressed and subsequently hot-rolled for recrystallization. The microstructure consists of elongated grains and Y excess fine particles. The oxide particle size is larger than that of the typical Fe-based ODS steel. Tensile test shows that the tensile ductility is approximately 25%, while the strength is significantly higher than that of pure Ti. The high-temperature hardness of the Ti-ODS alloy is also significantly higher than that of pure Ti at all temperatures, while being lower than that of Ti-6Al-4V. The dimple structure is well developed, and no evidence of cleavage fracture surface is observed in the fracture surface of the tensile specimen.
Two kinds of oxide-dispersion-strengthened (ODS) 316L stainless steel were manufactured using a wet mixing process(wet) and a mechanical alloying method (MA). An MA 316L ODS was prepared by a mixing of metal powder and a mechanical alloying process. A wet 316L ODS was manufactured by a wet mixing with 316L stainless steel powder. A solution of yttrium nitrate was dried after being in the wet 316L ODS alloy. The results showed that carbon and oxygen were effectively reduced during the degassing process before the hydroisostatic process (HIP) in both alloys. It appeared that the effect of HIP treatment on increase in impact energy was pronounced in the MA 316L ODS alloy. The MA 316L ODS alloy showed a higher yield strength and a smaller elongation, when compared to the wet 316L ODS alloy. This seemed to be attributed to the enhancement of bonding between oxide and matrix particles from HIP and to the presence of a finer oxide of about 20 nm from the MA process in the MA 316L ODS alloy.
Kim, Tae Kyu;Noh, Sanghoon;Kang, Suk Hoon;Park, Jin Ju;Jin, Hyun Ju;Lee, Min Ku;Jang, Jinsugn;Rhee, Chang Kyu
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.2
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pp.572-594
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2016
As one of the Gen-IV nuclear energy systems, a sodium-cooled fast reactor (SFR) is being developed at the Korea Atomic Energy Research Institute. As a long-term national research project, advanced radiation resistant oxide dispersion strengthened steel (ARROS) is being developed as an in-core fuel cladding tube material for a SFR in the future. In this paper, the current status of ARROS development is reviewed and its future prospective is discussed.
The 9Cr-1Mo ferritic-martensitic ODS steel is a promising structural material for the next generation nuclear power plants including fast reactors for application in reactor vessels and nuclear fuel. The ODS steel was cooled down by furnace cooling, air cooling, oil quenching and water quenching, respectively, after normalizing it at $1150^{\circ}C$ for 1 h and then tempering at $780^{\circ}C$ for 1 h. It is found that grain size, a relative portion of ferrite and martensite, martensitic lath configuration, behaviors of carbide precipitates, and hardness of the ODS steel are strongly dependent on a cooling rate. The grain size and martensitic lath width become smaller with the increase in a cooling rate. The carbides were precipitated at the grain boundaries formed between the ferrite and martensite phases and at the martensitic lath interfaces. In addition, the carbide precipitates become smaller and more widely dispersed with the increase in a cooling rate, resulting in that the faster cooling rate generated the higher hardness of the ODS steel.
15Cr-1Mo base oxide dispersion strengthened (ODS) steel which is considered to be as a promising candidate for high- temperature components in nuclear fusion and fission systems because of its excellent high temperature strength, corrosion and radiation resistance was fabricated by using mechanical alloying, hot isostatic pressing and hot rolling. Torsion tests were performed at room temperature, leading to two different shear strain routes in the forward and reverse directions. In this study, microstructure evolution of the ODS steel during simple shearing was investigated. Fine grained microstructure and a cell structure of dislocation with low angle boundaries were characterized with shear strain in the shear deformed region by electron backscattered diffraction (EBSD). Grain refinement with shear strain resulted in an increase in hardness. After the forward-reverse torsion, the hardness value was measured to be higher than that of the forward torsion only with an identical shear strain amount, suggesting that new dislocation cell structures inside the grain were generated, thus resulting in a larger strengthening of the steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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