可選擇地表示體積百分比。在一個實施方案中，b是在11和12之間的數(shù)字；c在約0.25和約0.9之間；通過a來平衡。在一個實施方案中，組合物包括在約0.005wt%和約0.05wt%之間的至少氮(“N”)-例如約0.01界1:%和約0.04wt%之間、約0.01界1:%和約0.03wt%之間、約0.02wt%和約0.03被％之間等。元素M可表示至少一種過渡金屬元素。在此鐵基組合物中的元素M可以是在周期表中存在的任何過渡金屬兀素_例如，在周期表的第3_12族中的兀素。在一個實施方案中，M表示Mo、N1、Mn、W和V中的至少一種。
[0042]在另一個實施方案中，組合物可以包括(或是)鐵基組合物，其包括鋼組合物。組合物可以通過以下化學(xué)式表示:(Fe) a (Cr)b (Mo、N1、Mn、W、V)。，其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的數(shù)字；根據(jù)上下文，該數(shù)字可以可選擇地表示體積百分比。在一個實施方案中，數(shù)字b在11和12之間；c在約0.25和約0.9之間；通過a來平衡。在一個實施方案中，組合物包括在約0.0^^%和約0.04wt%之間的N。
[0043]組合物可以含有至少一種另外的元素。另外的元素可以是非金屬元素。在一個實施方案中，非金屬元素可以是選自S1、S、C及P的至少一種元素。另外的元素可以是金屬元素，包括Cu、Cr、Mo、Mn、V、W、Ni等。在一個實施方案中，組合物還包括在約10wt%*約12.5wt%之間的Cr ;在約0.17界1:%和約0.22wt%之間的C ;在約0.80界1:%和約1.2wt%之間的Mo ;小于或等于約0.5?1:%的Si ;小于或等于約1.(^1:%的Mn ;在約0.25wt%和約0.35wt%之間的V ;在約0.40界1:%和約0.60wt%之間的W ;小于或等于約0.03界1:%的P ;以及小于或等于約0.3?丨％的S。在另一個實施方案中，組合物還包括約0.3wt%* 0.7wt%之間的Ni。在另一個實施方案中，組合物還包括約11.5?丨％的Cr ;約0.20?丨％的C ;約0.90wt% 的 Mo ;約 0.55界七％的 Ni ;約 0.65界七％的 Mn ;約 0.30wt% 的 V ;約 0.5(^七％的 W ；約0.20被％的5丨以及約0.02被％的隊其他元素也可以以任何適宜的量存在。在某些情況下，某些附帶的雜質(zhì)可以存在。
[0044]組合物可以包括鐵基組合物，其包括包含調(diào)整的微觀結(jié)構(gòu)的鋼組合物。例如，本文提供的組合物可以具有小量的S-鐵素體相。在一個實施方案中，組合物至少大體上不含
鐵素體相。在另一個實施方案中，組合物完全地不含S-鐵素體相。代替鐵素體相，組合物可以包括馬氏體相(例如回火馬氏體)。在一個實施方案中，組合物的大體上全部具有馬氏體相。在另一個實施方案中，組合物的完全全部具有馬氏體相。如下文描述的，一種調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)(例如減輕鐵素體相的形成)可以是把N的含量控制在本文提供的范圍內(nèi)。本文的減輕可以指減少和/或防止但是不需要指的是完全消除。
[0045]微觀結(jié)構(gòu)，包括相，可以依據(jù)鉻當(dāng)量描述。在一個實施方案中，鉻當(dāng)量(“Cr:’)是形成用于估算不銹鋼、焊接金屬中的相的組成圖表中標(biāo)繪的元素以及根據(jù)各種方程式計算的元素的鐵素體的總和。在某些情況下，鉻當(dāng)量可以結(jié)合鎳當(dāng)量使用，其為形成奧氏體的元素的總和。根據(jù)至少材料的化學(xué)過程，方程式可以是任何適宜的方程式。在一個實施方案中，方程式可以通過凈鉻當(dāng)量(凈CrJ表示，凈Crrai是鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量之間的差。凈Creq(wt% ) = (% Cr) +6(% Si)+4(% Mo)+ll(% V) +5(% Nb)+1.5(% ff) +8(% Ti)+12(%Al) -4(% Ni) -2(% Co) -2(% Mn) - (% Cu) -40(% C) _30(%N)。在一個實施方案中，本文描述的組合物可以具有小于或等于約10的Crra1-例如，小于或等于約9、8、7、6、5、4、3、2或更小。在一個實施方案中，Cr^1可以保持在9以下以減輕鐵素體的形成?；谏衔牡姆匠淌?，N含量可以在Crrai的值中起重要作用，且因此在鐵素體形成(或其缺乏)中起重要作用。
[0046]至少部分由于微觀結(jié)構(gòu)，本文描述的組合物可以具有調(diào)整的材料性質(zhì)。例如，組合物可以具有高的熱穩(wěn)定性。在一個實施方案中，組合物的熱穩(wěn)定性可以指在高溫下組合物的特定相分解(或離解)成為另一個相的抗性。在一個實施方案中，本文描述的組合物在大于或等于約500°C -例如大于或等于約550°C、約600°C或更高的溫度下是大體上熱穩(wěn)定的。
[0047]本文提供的組合物可以包括另外的相或材料。例如，在組合物包含碳的情況下，碳元素可以以碳化物的形式存在。在一個實施方案中，組合物可以包括在組合物中大體上均勻分布的碳化物。根據(jù)應(yīng)用，碳化物可以具有任何適宜的大小。在一個實施方案中，碳化物具有小于或等于約2微米-例如小于或等于約I微米、0.5微米、0.2微米、0.1微米或更小的大小。
[0048]制備/使用鐵基組合物的方法
[0049]鐵基組合物及包括本文描述的組合物的燃料元件可以通過多種技術(shù)制造。鐵基組合物可以是本文描述的組合物中的任一種。例如，組合物可以包括鋼。在另一個實施方案中提供了通過本文描述的方法制備的具有管狀結(jié)構(gòu)的燃料元件。例如，參考圖2a，在一個實施方案中提供了制備組合物的方法；該方法包括:在第一條件下在第一溫度下熱處理包括鐵基組合物的材料，在第一條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相(步驟201)；在第二條件下在冷卻速率下將材料冷卻至第二溫度，在第二條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為馬氏體相(步驟202);以及在第三條件下在第三溫度下熱處理材料，在第三條件下碳化物被沉淀(步驟203)。在一個實施方案中，步驟201和202同時可以被稱為正火(normalizat1n)，然而步驟203可以被稱為回火。
[0050]第一溫度可以是適用于第一條件的任何溫度。在一個實例中，第一溫度可以高于組合物的奧氏體化溫度-鐵基組合物的鐵素體相的大體上全部都轉(zhuǎn)化為奧氏體相的溫度。奧氏體溫度隨著材料的化學(xué)過程而變化。在一個實施方案中，第一溫度在約900°C和約1200°C之間-例如，約1000。。和約1150°C之間，約1025°C和約1100°C之間等。取決于材料，第一溫度可以高于1200°C或低于900°C。
[0051]參考圖2b，在第一溫度下熱處理的過程還可以包括將材料加熱至第一溫度(步驟204)。取決于包括的材料，在第一溫度下熱處理可以被進(jìn)行持續(xù)任何適宜長度的時間。時間可以被調(diào)整，使得長度足夠長以促進(jìn)均勻的奧氏體固體溶液的形成。在一個實施方案中，熱處理可以被進(jìn)行持續(xù)約至少3分鐘-例如至少4分鐘、5分鐘、15分鐘、20分鐘、30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘、180分鐘或更多。更長或更短長度的時間也是可能的。在一個實施方案中，在第一溫度下熱處理可以被進(jìn)行持續(xù)約I分鐘和約200分鐘之間-例如約2分鐘和約150分鐘之間、約3分鐘和約120分鐘之間、約5分鐘和約60分鐘之間等。在一個實施方案中，在第一溫度下熱處理期間(例如在處理結(jié)束時)，鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相。在一個實施方案中，組合物的大體上全部轉(zhuǎn)化為奧氏體相。在另一個實施方案中，組合物的完全全部轉(zhuǎn)化為奧氏體相。在一個實施方案中，第一條件減輕鐵基組合物的S-鐵素體相的形成。在另一個實施方案中，第一條件促進(jìn)鐵基組合物的大體上全部轉(zhuǎn)化為奧氏體相。
[0052]參考圖2c，在第一溫度下熱處理的過程(步驟201)還可以包括溶解如果有的話存在于材料的鐵基組合物中的碳化物的至少大體上全部(步驟205)。
[0053]步驟202中的第二溫度可以是適用于第二條件的任何溫度。在一個實施方案中，第二溫度小于或等于60°C -例如小于或等于50°C、40°C、30°C、20°C、10°C或更小。在一個實施方案中，第三溫度為約室溫(例如20°C )。冷卻可以經(jīng)由任何適宜的技術(shù)進(jìn)行。在一個實施方案中，冷卻包括通過空氣和液體中的至少一種冷卻。在一個實施方案中，第二條件促進(jìn)鐵基組合物的大體上全部轉(zhuǎn)化為馬氏體相。例如，冷卻可以在足夠的速率下進(jìn)行，使得在冷卻期間(例如在處理結(jié)束時)，鐵基組合物中的至少一些轉(zhuǎn)化為馬氏體相。在一個實施方案中，速率是足夠高的，使組合物的大體上全部轉(zhuǎn)化為馬氏體相。在另一個實施方案中，速率是足夠高的，使組合物的完全全部轉(zhuǎn)化為馬氏體相。在一個實施方案中，在冷卻結(jié)束時，組合物大體上不含選自鐵素體相和奧氏體相的至少一種相。在一個實施方案中，在冷卻結(jié)束時，組合物完全不含選自鐵素體相和奧氏體相的至少一種相。
[0054]步驟203中的第三溫度可以是適用于第三條件的任何溫度。第三溫度可以低于上文的奧氏體開始形成的溫度。在一個實施方案中，第三溫度可以低于第一溫度。在一個實施方案中，第三溫度是至少500°C -例如至少550°C、600°C、650°C、700°C、750°C、800°C、850°C、900°C或更高。在一個實施方案中，第三溫度在約500°C和約900°C -例如約550°C和約850°C、約600°C和約800°C、約650°C和約780°C、約700°C和約750°C等之間。更高或更低的溫度也是可能的。第三溫度可以是足夠高以沉淀碳化物且賦予碳化物的高溫穩(wěn)定性，但足夠低以使碳化物密度是高的且碳化物大小是小的，伴隨以碳化物的均勻分布，以用于空隙抗膨脹性。
[0055]參考圖2d，在第三溫度下熱處理可以包括將材料加熱至第三溫度(步驟206)。取決于包括的材料，在第三溫度下熱處理可以被進(jìn)行持續(xù)任何適宜長度的時間。在一個實施方案中，在第三溫度下熱處理可以被進(jìn)行持續(xù)約0.1小時和約5小時之間-例如約0.2小時至約4小時之間、約0.5小時至約3小時之間、約I小時和約2小時之間等。更長或更短長度的時間也是可能的。在一個實施方案中，第三條件可以減輕鐵基組合物的鐵素體相和/或奧氏體相的形成。在一個實施方案中，組合物大體上不含鐵素體相和/或奧氏體相。熱處理可以通過任何適宜的技術(shù)來進(jìn)行。在一個實施方案中，在第三溫度下熱處理在豎式熔爐里進(jìn)行。
[0056]可以包括另外的過程。例如，參考圖2e，方法還可以包括將組合物從第三溫度冷卻至第四溫度(步驟207)。第四溫度可以低于第三溫度。例如，第四溫度可以小于或等于60°〇-例如小于或等于50°0、40°0、30°0、20°0、10°0或更小。在一個實施方案中，第三溫度為約室溫(例如20 °C )。參考圖2f，方法還可包括控制材料的鐵基組合物中的N的wt %，以減輕鐵基組合物的碳化物相的增長(步驟208)。
[0057]參考圖3a_3c，在圖中圖示了鐵基組合物的微觀差異。圖3a示出了傳統(tǒng)的鋼的具有塊狀S鐵素體顆粒的、缺少回火馬氏體微觀結(jié)構(gòu)，以及具有許多缺乏復(fù)合碳化物微觀結(jié)構(gòu)的顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。圖3b示出了在回火馬氏體顆粒中具有更均勻的碳化物微觀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)-注意在該微觀結(jié)構(gòu)中仍然存在一些小的δ鐵素體顆粒。圖3c示出了使鋼樣品經(jīng)歷本文描述的過程的結(jié)果。該圖示出了其中大部分顆粒區(qū)域具有高密度的精細(xì)分布的碳化物的大體上不含S鐵素體的改進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)。
[0058]另一個實施方案提供了制備組合物的可選擇的方法。參考圖4a，該方法包括:使材料經(jīng)歷冷拔、冷軋及皮爾格軋制中的至少一種(步驟401);在第一條件下在第一溫度下熱處理包括鐵基組合物的材料，在第一條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相(步驟402);在第二條件下在冷卻速率下將材料冷卻至第二溫度，在第二條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為馬氏體相(步驟403);以及在第三條件下在第三溫度下熱處理材料，在第三條件下碳化物被沉淀(步驟404)。
[0059]在步驟401中，材料被冷加工；冷拔、冷軋及皮爾格軋制僅是可以使材料經(jīng)歷的過程的一些實例。冷加工的一個結(jié)果是材料尺寸可以被改變?yōu)槠谕闹?。例如，作為冷加工的結(jié)果，材料的厚度可以被減少。在一個實施方案中，厚度可以減少例如至少5% -例如至少10 %、15 %、20 %、25 %或更多。在一個實施方案中，減少在約5 %和約20 %之間-例如在約8%和約16%之間、在約10%和約15%之間等。更高或更低的值也是可能的。
[0060]材料的尺寸可以通過另外的過程控制。