一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ods高溫合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金及其制備方法，該方法采用球磨與熱等靜壓相結(jié)合的工藝，在鐵基合金中直接摻入Y2Ti2O7復(fù)合氧化物納米顆粒，顯著提高了ODS高溫合金的力學(xué)性能。經(jīng)本發(fā)明方法制得的ODS高溫合金中含有穩(wěn)定、細小的Y2Ti2O7納米彌散相，同時，該Y2Ti2O7納米彌散相能夠抑制易長大的Y-Al-O氧化物的生成。
【專利說明】一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種ODS高溫合金,更特別地說,是指一種添加有Y2Ti2O7復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化物彌散強化(Oxide Dispersion Strengthened,0DS)高溫合金是將細小的氧化物顆粒彌散分布于基體合金中，實現(xiàn)彌散強化的一種粉末高溫合金，是高溫合金的一個重要發(fā)展方向。常用的氧化物是活潑金屬的氧化物，如y203、ThO2等，它們具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其強化效果可以維持到接近合金熔點溫度(0.9Tm)，這些超細的氧化物是高溫下強化基體的最佳彌散相。
[0003]氧化物的結(jié)構(gòu)和尺寸對于ODS高溫合金的結(jié)構(gòu)和性能有著決定性的影響，目前為止，Y2O3被認為是最合適的添加氧化物。研究發(fā)現(xiàn)，將Y2O3添加于不含Al的Fe-Cr-Ti系ODS高溫合金中，可以生成細小的Y-T1-O氧化物(Y2Ti2O7和/或Y2TiO5)。而在含Al的Fe-Cr-Al-Ti系ODS高溫合金中，會生成易長大的Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)，從而導(dǎo)致ODS高溫合金力學(xué)性能的降低。同時研究表明，相比于不含Al的ODS高溫合金，含Al的ODS高溫合金具有更加優(yōu)異的抗氧化性和抗腐蝕性。因此，如何抑制含Al的ODS高溫合金 中粗大的Y-Al-O氧化物的生成，從而提高含Al的ODS高溫合金的力學(xué)性能，已經(jīng)成為急需解決的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一是提供一種添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金，該ODS高溫合金具有穩(wěn)定的細小的Y2Ti2O7納米彌散相，該Y2Ti2O7納米彌散相能夠有效的抑制易長大的Y-Al-O (YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成，使得經(jīng)本發(fā)明方法制備得到的ODS高溫合金力學(xué)性能更加優(yōu)異。
[0005]本發(fā)明的目的之二是提出一種制IY2Ti2O7納米顆粒的方法，該方法采用氫等離子體反應(yīng)與熱處理相結(jié)合的工藝，是以兩種純金屬和氫氣為原料，熱處理溫度大大低于傳統(tǒng)焙燒法，時間短，節(jié)約能源，而且所制備得到的Y2Ti2O7納米顆粒純度高，粒度均勻，粒徑小。
[0006]本發(fā)明的目的之三是提出一種制備添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的方法，該方法采用球磨與熱等靜壓相結(jié)合的工藝，在鐵基合金中摻入Y2Ti2O7納米顆粒，顯著提高了 ODS高溫合金的力學(xué)性能；經(jīng)本發(fā)明方法制得的ODS高溫合金具有穩(wěn)定且細小的Y2Ti2O7納米彌散相，該Y2Ti2O7納米彌散相能夠有效的抑制易長大的Υ-Α1-0(即YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成。
[0007]制備本發(fā)明的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其包括有復(fù)合氧化物納米顆粒的制備步驟和添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的制備步驟；具體地:[0008](一 )制備復(fù)合氧化物納米顆粒的步驟為:
[0009]步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠
[0010]在惰性氣氛中將釔⑴金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，多次熔煉使Y-Ti合金錠成份分布均勻；
[0011]所述惰性氣氛為高純氬氣，體積百分比純度為99.999%。
[0012]所述釔(Y)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0013]所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0014]熔煉條件包括有:等離子工作電流100A~500A，等離子中心溫度為4000°C~6000°C，熔煉時間為I分鐘~10分鐘，熔煉過程保持在0.05MPa~0.1MPa的氬氣氣氛中；
[0015]步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒
[0016]在氬氣和氫氣的氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使Y和Ti與氫 等 離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒;
[0017]熱等離子體熔煉條件為:氬氣和氫氣的體積比為1:9~9:1，反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為0.08~0.1MPa，等離子電流為100~500A，反應(yīng)時間5~200min ；
[0018]步驟I 一 3:熱處理制備復(fù)合氧化物納米顆粒
[0019]將制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在一定溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，得到復(fù)合氧化物納米顆粒；
[0020]熱處理溫度為800°C~1500°C，處理時間10~200min。
[0021]( 二 )制備添加有復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的步驟為:
[0022]步驟2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分
[0023]以鐵基合金為基體，具體成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，F(xiàn)e-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
[0024]步驟2-2:球磨法制備ODS高溫合金粉末
[0025]將制得的復(fù)合氧化物納米顆粒與步驟2 -1選取的基體合金目標(biāo)成分的金屬粉末進行球磨，金屬粉末可以是預(yù)合金粉末，也可以是各種單質(zhì)金屬粉末，制得ODS高溫合金粉末；
[0026]球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘150~1000轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間12~96小時。
[0027]球磨介質(zhì):不銹鋼球,球料比為5:1~20:1。
[0028]步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金
[0029]先將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度小于10 —3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金；
[0030]熱等靜壓工藝條件:溫度為900°C~1300°C，壓力為100~200MPa，處理時間I~4小時。
[0031]所述ODS高溫合金以鐵基合金為基體，添加了 0.1~1.0wt %的復(fù)合氧化物納米顆粒；所述復(fù)合氧化物納米顆粒為10~IOOnm的Y-T1-O納米顆粒。所述的Y-T1-O納米顆粒為Y2Ti2O7和/或Y2TiO5納米顆粒。所述添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金基體的具體成分是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料或者Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
[0032]在本發(fā)明中，制備添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金，其添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金塊體的氧化物彌散相為Y2Ti2O7，所述Y2Ti2O7納米顆粒的粒徑為I~30nm,平均粒徑為5~15nm ;不含有易長大的Y-Al-O氧化物彌散相；所述Y-Al-O氧化物彌散相的具體成分為YAlO3和/或Y4A1209。所述添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的抗拉強度為1250MPa~1350MPa，延伸率為13.0%~15.5%。
[0033]本發(fā)明制備方法的優(yōu)點在于:
[0034]①在制IY2Ti2O7納米顆粒的過程中，熱處理溫度大大低于傳統(tǒng)焙燒法，時間短，節(jié)約能源，而且所制備的Y2Ti2O7納米顆粒純度高，粒度均勻，粒徑小。
[0035]②經(jīng)本發(fā)明制備方法制得的添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金，具有穩(wěn)定且細小的Y2Ti2O7納米彌散相，并能有效地抑制易長大的Y-Al-O(即YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成。 [0036]③經(jīng)本發(fā)明制備方法制得的添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金相對于傳統(tǒng)的ODS高溫合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能。塊體Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Τ?-0.6Y2Ti207高溫合金的抗拉強度可以達到1302MPa，延伸率也達到了 14.5%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒的X射線衍射圖。
[0038]圖2是釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒的透射電鏡照片。
[0039]圖3是經(jīng)900°C熱處理后Y2Ti2O7納米顆粒的X射線衍射圖。
[0040]圖4是經(jīng)900°C熱處理后Y2Ti2O7納米顆粒的透射電鏡照片。
[0041]圖5是經(jīng)熱等靜壓處理后的添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金塊體的透射電鏡照片。
[0042]圖5A是經(jīng)熱等靜壓處理后的添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金塊體的高分辨透射電鏡照片。
[0043]圖6是經(jīng)熱等靜壓處理后的添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金塊體的室溫拉伸曲線圖。
【具體實施方式】
[0044]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0045](一)制備Y2Ti2O7納米顆粒的方法，其包括有下列步驟:
[0046]步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠
[0047]在本發(fā)明中，在惰性氣氛中將釔⑴金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，多次熔煉使Y-Ti合金錠成份分布均勻；
[0048]所述惰性氣氛為高純氬氣，體積百分比純度為99.999%。
[0049]所述釔(Y)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0050]所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0051]熔煉條件包括有:等離子工作電流100A~500A，等離子中心溫度為4000°C~6000°C，熔煉時間為I分鐘~10分鐘，熔煉過程保持在0.05MPa~0.1MPa的氬氣氣氛中；
[0052]步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒
[0053]在本發(fā)明中，在氬氣和氫氣的氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使Y和Ti與氫等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒；
[0054]熱等離子體熔煉條件為:氬氣和氫氣的體積比為1:9~9:1，反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為0.08~0.1MPa，等離子電流為100~500A，反應(yīng)時間5~200min ；
[0055]步驟1 — 3:熱處理制備Y2Ti2O7納米顆粒
[0056]將制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在一定溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，得到Y(jié)2Ti2O7納米顆粒；
[0057]熱處理溫度為800°C~1500°C，處理時間10~200min。
[0058]( 二 )制備添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其包括有下列步驟:
[0059]步驟 2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分
[0060]在本發(fā)明中，以鐵基合金為基體，具體成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，F(xiàn)e-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。[0061 ] 步驟2-2:球磨法制備ODS高溫合金粉末
[0062]將本發(fā)明制得的Y2Ti2O7納米顆粒與步驟2 — I選取的基體合金目標(biāo)成分的金屬粉末進行球磨，金屬粉末可以是預(yù)合金粉末，也可以是各種單質(zhì)金屬粉末，制得ODS高溫合金粉末；
[0063]球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘150~1000轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間12~96小時。
[0064]球磨介質(zhì):不銹鋼球,球料比為5:1~20:1。
[0065]步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金
[0066]先將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度小于等于1.0X10 —3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體O D S高溫合金；
[0067]熱等靜壓工藝條件:溫度為900°C~1300°C，壓力為100~200MPa，處理時間I~4小時。
[0068]實施例1
[0069](一)制備Y2Ti2O7納米顆粒的方法，其包括有下列步驟:
[0070]步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠
[0071]在本發(fā)明中，在惰性氣氛中將釔⑴金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，熔煉4次使Y-Ti合金錠成份分布均勻；
[0072]熔煉條件包括有:等離子工作電流250A，等離子中心溫度為5000°C，熔煉時間為10分鐘，熔煉過程保持在0.08MPa的氬氣氣氛中；
[0073]所述惰性氣氛為高純氬氣，體積百分比純度為99.999%。
[0074]所述釔(Y)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0075]所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0076]在本發(fā)明中，熱等離子體反應(yīng)爐選用北京物科光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NEW-ADR-05型真空電弧爐。
[0077] 步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒
[0078]在本發(fā)明中，在氬氣和氫氣的體積之比為1:1的反應(yīng)氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使釔、鈦與氫等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒；
[0079]熱等離子體熔煉條件為:反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為0.08MPa，等離子電流為200A，反應(yīng)時間30min ；
[0080]在本發(fā)明中，氫等離子體反應(yīng)爐選用北京物科光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NEW-ADR-05型真空電弧爐。
[0081]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對實施例1中的步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析，如圖1所示的曲線為氫等離子化學(xué)氣相沉積獲得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒的X射線衍射圖譜，可以看出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒包含TiH1.971、YH2和YH3三種氫化物。圖1中橫坐標(biāo)為衍射角度，縱坐標(biāo)為相對衍射強度。
[0082]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行形貌分析，如圖2所示。從圖中透射電鏡照片可以看出，釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒為類球狀，粒徑在5~60nm之間。
[0083]步驟1 — 3:熱處理制備Y2Ti2O7納米顆粒
[0084]將步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在900°C溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，處理時間60min,得到Y(jié)2Ti2O7納米顆粒；
[0085]本發(fā)明中Y2Ti2O7納米顆粒的制備方法，是以兩種純金屬和氫氣為原料，熱處理溫度大大低于傳統(tǒng)焙燒法，時間短，節(jié)約能源，而且所制備的納米顆粒純度高，粒度均勻，粒徑小。在本發(fā)明中，熱處理爐為日本SHIMAX(島通)MAC3C電阻爐。
[0086]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對步驟I 一 3制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析。如圖3所示的曲線可知，在900°C熱處理60min，釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒完全轉(zhuǎn)化為Y2Ti2O7納米顆粒。圖3中橫坐標(biāo)為衍射角度，縱坐標(biāo)為相對衍射強度。
[0087]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對900°C制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行形貌分析，如圖4所示,從圖中透射電鏡照片可以看出，Y2Ti2O7納米顆粒尺寸在50~IOOnm之間。
[0088]( 二)制備添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其包括有下列步驟:
[0089]步驟2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分
[0090]在本發(fā)明中，ODS高溫合金目標(biāo)成分為Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Τ?-0.6Y2Ti207 (質(zhì)量百分比)。
[0091]用量:制備600g 的 Fe-3Al-14Cr-2W-0.35T1-0.6Y2Ti207 合金，所需 Al 元素 18g、Cr元素84g、W元素12g、Ti元素2.lg、Y2Ti2O7納米顆粒3.6g,以及余量的Fe元素。
[0092]步驟2 — 2:球磨法制備ODS高溫合金粉末
[0093]將本發(fā)明制得的Y2Ti2O7納米顆粒與步驟2 — I選取的合金目標(biāo)成分的各種金屬粉末進行球磨，制得ODS高溫合金粉末；
[0094]球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘220轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間48小時。
[0095]球磨介質(zhì):不銹鋼球直徑10毫米，球料比為10:1。[0096]在本發(fā)明中，球磨機使用的是南京萊步科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)的QM - QX12全方位行星式球磨機。
[0097]步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金
[0098]將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度為1.0X 10 —3Pa,然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金；
[0099]熱等靜壓工藝條件:溫度為1160°C，壓力為130MPa，處理時間4小時。
[0100]在本發(fā)明中，真空熱壓爐使用的是北京艾林科爐業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的10 - 30H型熱等靜壓爐。
[0101]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對步驟2 — 3制得的塊體Fe-3Al-14Cr-2ff-0.35Τ?-0.6Y2Ti207高溫合金進行形貌和結(jié)構(gòu)的分析，如圖5和圖5A所示。透射電鏡圖像顯示，氧化物顆粒的尺寸分布在I~20nm之間，平均僅10nm，且通過圖5A高分辨透射電鏡圖像表明，氧化物彌散相為Y2Ti2O7,沒有Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成?？梢?，Y2Ti2O7的添加不僅有效地抑制了易長大的Y-Al-O氧化物的生成，而且大大降低了含Al的ODS高溫合金中氧化物彌散相的尺寸。
[0102]采用INSTR0N-8801型材料試驗機對步驟2 — 3制得的塊體Fe-3Al-14Cr-2ff-0.35Τ ?-0.6Y2Ti207高溫合金進行室溫拉伸實驗，如圖6所示，圖中可以看出，塊體Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Τ?-0.6Y2Ti207高溫合金的抗拉強度可以達到1302MPa，延伸率也達到了 14.5%o 而對比 Fe-14Cr-3Al-2ff-0.1T1-0.35Y203 高溫合金(參考 MaterialsScience ForumVoI s.747-748 (2013) pp507_512公開的成分及性能參數(shù))的抗拉強度僅為980MPa，延伸率為10.3%。相比之下，添加Y2Ti2O7納米顆粒提高了 ODS高溫合金的彌散強化效果，使得添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金綜合力學(xué)性能遠遠優(yōu)異于傳統(tǒng)的ODS高
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[0103]實施例2
[0104](一)制備Y2Ti2O7納米顆粒的方法，其包括有下列步驟:
[0105]步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠
[0106]在本發(fā)明中，在惰性氣氛中將釔(Y)金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，熔煉3次使Y-Ti合金錠成份分布均勻；
[0107]熔煉條件包括有:等離子工作電流200A，等離子中心溫度為4500°C，熔煉時間為6分鐘，熔煉過程保持在0.09MPa的氬氣氣氛中；
[0108]所述惰性氣氛為高純氬氣，體積百分比純度為99.999%。
[0109]所述釔(Y)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9%。
[0110]所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9%。
[0111]步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒
[0112]在本發(fā)明中，在氬氣和氫氣的體積之比為5:3的反應(yīng)氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使釔、鈦與氫等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒；
[0113]熱等離子體熔煉條件為:反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為0.1MPa，等離子電流為250A，反應(yīng)時間60min ；[0114]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對實施例2中的步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果為釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒包含TiH1.971、YH2和YH3三種氫化物。
[0115]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例2中的步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行形貌分析，結(jié)果為釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒為類球狀，粒徑在10~50nm之間。
[0116]步驟1 — 3:熱處理制備Y2Ti2O7納米顆粒
[0117]將步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在800°C溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，處理時間120min,得到Y(jié)2Ti2O7納米顆粒；
[0118]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對實施例2中的步驟I — 3制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析。在800°C熱處理120min，釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒完全轉(zhuǎn)化為Y2Ti2O7納米顆粒。
[0119]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例2中的步驟I — 3制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行形貌分析，結(jié)果為Y2Ti2O7納米顆粒尺寸在40~IOOnm之間。 [0120]( 二)制備添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其包括有下列步驟:
[0121]步驟2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分
[0122]在本發(fā)明中，ODS高溫合金目標(biāo)成分為Fe-4Al-16Cr-2W_0.5Y2Ti207 (質(zhì)量百分比)。
[0123]用量:制備600g 的 Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti207 合金，所需 Al 元素 24g、Cr 元素96g、W元素12g、Y2Ti2O7納米顆粒3.0g,以及余量的Fe元素。
[0124]步驟2 — 2:球磨法制備ODS高溫合金粉末
[0125]將本發(fā)明制得的Y2Ti2O7納米顆粒與步驟2 -1選取的合金目標(biāo)成分的各種金屬粉末進行球磨，制得ODS高溫合金粉末；
[0126]球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘280轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間36小時。
[0127]球磨介質(zhì):不銹鋼球直徑10毫米，球料比為15:1。
[0128]步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金
[0129]先將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度為0.8X10 —3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金；
[0130]熱等靜壓工藝條件:溫度為950°C，壓力為150MPa，處理時間3小時。
[0131]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例2中的步驟2 — 3制得的塊體Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti207高溫合金進行形貌和結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)果為氧化物彌散相為Y2Ti2O7,尺寸在I~20nm之間，平均粒度為9nm，沒有粗大的Y-A1-0氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成?？梢?，Y2Ti2O7的添加不僅有效地抑制了 Y-Al-O氧化物的生成，而且，大大降低了含Al的ODS高溫合金中氧化物彌散相的尺寸。
[0132]采用INSTR0N-8801型材料試驗機對實施例2中的步驟2 — 3制得的塊體Fe-4Al-16Cr-2ff-0.5Y2Ti207高溫合金進行室溫拉伸實驗，結(jié)果其抗拉強度可以達到1280MPa，延伸率也達到了 13.7%。
[0133]實施例3[0134](一)制備Y2Ti2O7納米顆粒的方法，其包括有下列步驟:
[0135]步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠
[0136]在本發(fā)明中，在惰性氣氛中將釔(Y)金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，熔煉4次使Y-Ti合金錠成份分布均勻；
[0137]熔煉條件包括有:等離子工作電流300A，等離子中心溫度為6000°C，熔煉時間為3分鐘，熔煉過程保持在0.08MPa的氬氣氣氛中；
[0138]所述惰性氣氛為高 純氬氣，體積百分比純度為99.999%。
[0139]所述釔⑴金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9 %。
[0140]所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9%。
[0141]步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒
[0142]在本發(fā)明中，在氬氣和氫氣的體積之比為1:7的反應(yīng)氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使釔、鈦與氫等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒；
[0143]熱等離子體熔煉條件為:反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為0.08MPa，等離子電流為300A，反應(yīng)時間45min ；
[0144]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對實施例3中的步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果為釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒包含TiH1.971、YH2和YH3三種氫化物。
[0145]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例3中的步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒進行形貌分析，結(jié)果為釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒為類球狀，粒徑在10~60nm之間。
[0146]步驟1 — 3:熱處理制備Y2Ti2O7納米顆粒
[0147]將步驟I 一 2制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在1000°C溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，處理時間30min,得到Y(jié)2Ti2O7納米顆粒；
[0148]采用D/max_2200PC型X射線衍射儀對實施例3中的步驟I — 3制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行物相結(jié)構(gòu)分析。在1000°c以上熱處理30min,乾、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒完全轉(zhuǎn)化為Y2Ti2O7納米顆粒。
[0149]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例3中的步驟I — 3制得的Y2Ti2O7納米顆粒進行形貌分析，結(jié)果為Y2Ti2O7納米顆粒尺寸在60~IOOnm之間。
[0150]( 二)制備添加有Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其包括有下列步驟:
[0151]步驟2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分
[0152]在本發(fā)明中，O D S高溫合金目標(biāo)成分為Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti207(質(zhì)量百分比)。
[0153]用量:制備600g 的 Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti207 合金，所需 Al 元素 18g、Cr 元素 96g、Y2Ti2O7納米顆粒4.8g,以及余量的Fe元素。
[0154]步驟2 — 2:球磨法制備ODS高溫合金粉末
[0155]將本發(fā)明制得的Y2Ti2O7納米顆粒與步驟2 -1選取的合金目標(biāo)成分的各種金屬粉末進行球磨，制得ODS高溫合金粉末；
[0156]球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘250轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間36小時。[0157]球磨介質(zhì):不銹鋼球直徑10毫米,球料比為5:1。
[0158]步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金
[0159]先將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度為0.9X10 —3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金；
[0160]熱等靜壓工藝條件:溫度為1050°C，壓力為130MPa，處理時間2.5小時。
[0161]采用JE0L-JSM-2100F型透射電子顯微鏡對實施例3中的步驟2 — 3制得的塊體Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti207高溫合金進行形貌和結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)果為氧化物彌散相為Y2Ti2O7,尺寸在l_20nm之間，平均粒度為10nm，沒有粗大的Y-A1-0氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成?？梢?，Y2Ti2O7的添加不僅有效地抑制了 Y-Al-O氧化物的生成，而且，大大降低了含Al的ODS高溫合金中氧化物彌散相的尺寸。
[0162]采用INSTR0N-8801型材料試驗機對實施例3中的步驟2 — 3制得的塊體Fe-3Al-16Cr-0.8Y2T i207高溫合金進行室溫拉伸實驗，結(jié)果為抗拉強度可以達到1260MPa，延伸率也達到了 14.2%。
【權(quán)利要求】
1.一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金,其特征在于:所述ODS高溫合金以鐵基合金為基體，添加了 0.1~1.0wt%的復(fù)合氧化物納米顆粒；所述復(fù)合氧化物納米顆粒為10~1OOnm的Y-T1-O納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金，其特征在于:所述的Y-T1-O納米顆粒為Y2Ti2O7和/或Y2TiO5納米顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金，其特征在于:所述添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金基體的具體成分是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料或者Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金，其特征在于:所述添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的具體成分是Fe-3Al-14Cr-2ff-0.35Τ?-0.6Y2Ti207 合金材料、Fe-4Al-16Cr-2ff-0.5Y2Ti207 合金材料或者是 Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti207 合金材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金，其特征在于:所述添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的抗拉強度為1250MPa~1350MPa，延伸率為.13.0%~15.5%。
6.制備權(quán)利要求1所述的一種添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其特征在于:包括有復(fù)合 氧化物納米顆粒的制備步驟和添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的制備步驟；具體地: (一)制備復(fù)合氧化物納米顆粒的步驟為: 步驟I 一 1:熱等離子體制備Y-Ti合金錠 在惰性氣氛中將釔(Y)金屬和鈦(Ti)金屬按原子比1:1熔煉成Y-Ti合金錠，多次熔煉使Y-Ti合金錠成份分布均勻； 所述惰性氣氛為高純氬氣，體積百分比純度為99.999%。 所述釔(Y)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9%。 所述鈦(Ti)金屬的質(zhì)量百分比純度為99.9%。 熔煉條件包括有:等離子工作電流100A~500A，等離子中心溫度為4000°C~6000°C，熔煉時間為I分鐘~10分鐘，熔煉過程保持在0.05MPa~0.1MPa的氬氣氣氛中； 步驟I 一 2:氫等離子體反應(yīng)制備釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在氬氣和氫氣的氣氛下，將步驟I 一 I制得的Y-Ti合金錠在熱等離子體作用下熔化，并使Y和Ti與氫等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備出釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒; 熱等離子體熔煉條件為:氬氣和氫氣的體積比為1:9~9:1，反應(yīng)爐內(nèi)氣體總壓力為.0.08~0.1MPa，等離子電流為100~500A，反應(yīng)時間5~200min ； 步驟I 一 3:熱處理制備復(fù)合氧化物納米顆粒 將制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒在一定溫度下的空氣氣氛中進行熱處理，得到復(fù)合氧化物納米顆粒； 熱處理溫度為800°C~1500°C，處理時間10~200min。 (二 )制備添加有復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的步驟為: 步驟2 — 1:設(shè)計目標(biāo)成分以鐵基合金為基體，具體成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，F(xiàn)e-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。 步驟2 — 2:球磨法制備ODS高溫合金粉末 將 制得的復(fù)合氧化物納米顆粒與步驟2-1選取的基體合金目標(biāo)成分的金屬粉末進行球磨，金屬粉末可以是預(yù)合金粉末，也可以是各種單質(zhì)金屬粉末，制得ODS高溫合金粉末； 球磨條件:在氬氣氣氛保護下，以每分鐘150~1000轉(zhuǎn)的速度球磨，球磨時間12~96小時。 球磨介質(zhì):不銹鋼球，球料比為5:1~20:1。 步驟2 — 3:熱等靜壓制備塊體ODS高溫合金 先將步驟2 - 2制得的ODS高溫合金粉末裝入包套中，對包套抽真空后進行封焊處理，設(shè)置真空度小于10 —3Pa ;然后將裝有ODS高溫合金粉末的包套放入熱等靜壓設(shè)備中進行熱壓處理，得到塊體ODS高溫合金； 熱等靜壓工藝條件:溫度為900°C~1300°C，壓力為100~200MPa，處理時間I~4小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其特征在于:經(jīng)步驟I — 2處理后制得的釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒包含TiHu71JH2和YH3三種氫化物，且釔、鈦氫化物復(fù)合納米顆粒為類球狀，尺寸在5~60nm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其特征在于:經(jīng)步驟I 一 3處理后釔、鈦氫化物納米顆粒完全轉(zhuǎn)化為Y2Ti2O7納米顆粒，且Y2Ti2O7納米顆粒尺寸在10~IOOnm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金的方法，其特征在于:經(jīng)步驟2 - 3處理后得到的添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金塊體的氧化物彌散相為Y2Ti2O7，所述Y2Ti2O7納米顆粒的粒徑為I~30nm，平均粒徑為5~15nm ;不含有易長大的Y-Al-O氧化物彌散相；所述Y-Al-O氧化物彌散相的具體成分為YAlO3和/或Y4Al2O9。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備添加復(fù)合氧化物納米顆粒的ODS高溫合金塊體的方法，其特征在于:經(jīng)步驟2 - 3處理后得到的添加Y2Ti2O7納米顆粒的ODS高溫合金的抗拉強度為1250MPa~1350MPa，延伸率為13.0%~15.5%。
【文檔編號】C22C33/02GK103966500SQ201410218467
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】劉彤, 王晨曦, 王林波 申請人:北京航空航天大學(xué)