本發(fā)明屬于金屬?gòu)浬?qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種采用母合金法制備中間合金粉末，進(jìn)而將中間合金粉末、基體粉末和氧化物粉末進(jìn)行機(jī)械合金化以獲得氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金粉末的方法。

背景技術(shù)：

由金屬間化合物和納米氧化物共同強(qiáng)化的鐵素體合金具有類(lèi)似鎳基合金的γ/γ’的兩相組織，有望能提高傳統(tǒng)鐵素體耐熱合金的使用溫度極限和高溫力學(xué)性能，在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。納米氧化物顆粒具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在接近合金熔點(diǎn)的溫度下，納米氧化物仍然能對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，是氧化物彌散強(qiáng)化合金中最重要的強(qiáng)化相。(Ni,Fe)Al金屬間化合物相(β′相)是鐵基合金中的一種有效的強(qiáng)化相，它是一種長(zhǎng)程有序B₂結(jié)構(gòu)(CsCl型)的金屬間化合物，熔點(diǎn)高達(dá)1638℃，具有較高的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，β′相與鐵素體基體(β)的晶格常數(shù)非常接近，晶格錯(cuò)配小，這使β′相與β基體之間容易形成共格取向關(guān)系，這為β′相的均勻形核和彌散狀析出創(chuàng)造了條件。在合金中添加Mn元素能夠改變金屬間化合物的相結(jié)構(gòu)，使金屬間化合物由NiAl型轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)2₁型Ni₂AlMn金屬間化合物，Mn元素能優(yōu)先占據(jù)Al晶格，降低了形核的應(yīng)變能，使金屬間化合物的數(shù)量密度增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且強(qiáng)化相對(duì)鐵基合金延性的影響不大。Ni₂AlMn金屬間化合物的強(qiáng)化效果優(yōu)于單相NiAl相。設(shè)法降低過(guò)量氧含量，縮短球磨時(shí)間、降低能耗是控制析出相結(jié)構(gòu)和提高材料綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵。

在采用常規(guī)的機(jī)械合金化工藝制備L2₁型Ni₂AlMn金屬間化合物和氧化物共同強(qiáng)化的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金時(shí)，Ti和Mn元素容易在機(jī)械合金化過(guò)程中氧化，不僅使參與形成Ni₂AlMn金屬間化合物的Mn元素減少，不能達(dá)到有效控制金屬間化合物成分的目的。長(zhǎng)時(shí)間的球磨容易引入的夾雜及原料中的非金屬夾雜(Al-Mg-O)會(huì)降低材料的高溫力學(xué)性能。同時(shí)，Ti和Mn元素的氧化使雜質(zhì)氧含量增加，導(dǎo)致氧化物彌散相的粗化。上述兩個(gè)因素都直接關(guān)系到金屬間化合物和氧化物的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，限制了強(qiáng)化效果的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種制備氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金的方法。該方法制備的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金由L2₁型Ni₂AlMn金屬間化合物和氧化物彌散相共同強(qiáng)化，利用兩種析出相的強(qiáng)化效果的疊加提高材料的高溫力學(xué)性能。

本發(fā)明利用采用真空熔煉+電渣熔煉雙聯(lián)的工藝獲得中間合金鑄錠。在電渣熔煉的過(guò)程中，自耗電極受電阻緩慢熔化，通過(guò)調(diào)節(jié)渣池的形狀、深度、粘度等參數(shù)來(lái)創(chuàng)造夾雜物上浮的條件，溶化后的資耗電擊棒液滴穿過(guò)熔融的渣料層與渣料發(fā)生反應(yīng)而得到提純，并在結(jié)晶器的底部重新結(jié)晶，得到低硫、組織致密、均勻、純凈的中間合金鑄錠。中間合金鑄錠在具有保護(hù)氣氛的破碎機(jī)中進(jìn)行破碎得到中間合金粉末，中間合金粉末與基體粉末和氧化物粉末進(jìn)行高能球磨后得到氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金粉末。氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金粉末裝入鋼包套、脫氣、封焊處理后，進(jìn)行熱包套鍛造固結(jié)成型，并進(jìn)行熱處理，得到最終的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金的制備工藝流程如圖1所示，具體工藝步驟有：

1、原料預(yù)處理：以鐵塊、Fe-Mn合金、Ni-Al合金以及Fe-Ti合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5％鹽酸水溶液中進(jìn)行預(yù)處理，去除表面氧化物，預(yù)處理時(shí)間為25-35min，酒精洗凈后在烘箱中于60℃下處理烘干30-90min。

2、中間合金的真空感應(yīng)熔煉+電渣熔煉：將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料制備成中間合金，中間合金中基體元素Fe的含量為20～40wt.％，其余是Ni、Al、Ti和Mn合金元素，并且中間合金中各合金元素的質(zhì)量比與目標(biāo)氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金中各元素的質(zhì)量比一致，目標(biāo)氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金的成分為：5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe。中間合金在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600-1700℃，保溫25-35min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應(yīng)熔煉的鑄錠進(jìn)行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：15-20％CaO，15-20％Al₂O₃，1-5％TiO₂,1-5％MgO，3-10％CeO，余量CaF₂。將渣料加熱到熔融狀態(tài)后倒入結(jié)晶器中，通電起電弧后，調(diào)整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A；自耗電極受電阻緩慢熔化，溶化后金屬液滴穿過(guò)熔融的渣料層與渣料發(fā)生反應(yīng)而得到提純，并在結(jié)晶器的底部重新結(jié)晶，得到組織致密、均勻、純凈的電渣重熔中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。

3、中間合金鑄錠破碎：將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統(tǒng)與保護(hù)氣氛的高速盤(pán)磨破碎裝置中進(jìn)行破碎。對(duì)破碎后的粉末進(jìn)行篩選，得到中間合金粉末。

4、機(jī)械合金化：將基體金屬粉末、中間合金粉末、和納米氧化物顆?；旌虾筮M(jìn)行機(jī)械合金化，基體金屬粉末為Fe粉，納米氧化物為Y₂O₃。首先按照合金成分配比進(jìn)行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過(guò)程控制劑，以避免高能球磨過(guò)程中粉末結(jié)塊。將上述粉末預(yù)混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為340～500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為30-35h，得到機(jī)械合金化粉末。

5、燒結(jié)致密化：采用熱等靜壓工藝對(duì)機(jī)械合金化粉末進(jìn)行致密化，用低碳鋼對(duì)機(jī)械合金化粉末包套，然后進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為950～1150℃，壓力為100～200MPa，保溫時(shí)間為1～3h；得到接近全致密的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。

6、熱處理：熱等靜壓氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金進(jìn)行兩階段熱處理，首先進(jìn)行固溶處理，然后進(jìn)行時(shí)效處理。固溶處理溫度為800～1200℃，保溫2～4h后空冷。時(shí)效處理溫度為500～800℃，保溫2～120h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在傳統(tǒng)鐵基ODS合金的基礎(chǔ)上，引入了納米金屬間化合物(β′相)，真空感應(yīng)熔煉和電渣熔煉相結(jié)合的工藝能夠有效降低鑄錠的氧含量和非金屬夾雜的含量，合金化的中間合金防止了Mn元素的氧化。由于采用預(yù)合金化的中間合金粉末，能夠縮短合金化的時(shí)間，因此能夠縮短球磨時(shí)間，降低能耗。球磨時(shí)間的降低了長(zhǎng)時(shí)間球磨引入夾雜的風(fēng)險(xiǎn)。中間合金粉末具有較大的晶格畸變，燒結(jié)活性高。合金中Ni₂AlMn金屬間化合物和彌散相的粒徑都非常細(xì)小，而且分布均勻，強(qiáng)化作用顯著。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：35wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y₂O₃粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金

以鐵塊、Fe-Mn合金、Ni-Al合金以及Fe-Ti合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進(jìn)行預(yù)處理，去除表面氧化物，預(yù)處理時(shí)間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于60℃下處理烘干90min。中間合金在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應(yīng)熔煉的鑄錠進(jìn)行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al₂O₃，1％TiO₂,1％MgO，3％CeO，余量CaF₂。將渣料加熱到熔融狀態(tài)后倒入結(jié)晶器中，通電起電弧后，調(diào)整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的7.73Ni-1.55Al-4.64Mn-0.46Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統(tǒng)與保護(hù)氣氛的高速盤(pán)磨破碎裝置中進(jìn)行破碎。對(duì)破碎后的粉末進(jìn)行篩選，得帶中間合金粉末。將35wt.％Fe粉、64.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y₂O₃粉末混合后進(jìn)行機(jī)械合金化，首先按照合金成分配比進(jìn)行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過(guò)程控制劑。將上述粉末預(yù)混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為340～500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為30-35h，得到機(jī)械合金化粉末。機(jī)械合金化采用低碳鋼作為包套進(jìn)行真空封焊，包套進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為950℃，壓力為200MPa，保溫時(shí)間為2h；得到接近全致密的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。固溶處理溫度為900℃，保溫2h后空冷。時(shí)效處理溫度為550℃，保溫100h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。

實(shí)施例2：40wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y₂O₃粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金

以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進(jìn)行預(yù)處理，去除表面氧化物，預(yù)處理時(shí)間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于70℃下處理烘干60min；中間合金在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應(yīng)熔煉的鑄錠進(jìn)行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al₂O₃，3％TiO₂,3％MgO，5％CeO，余量CaF₂。將渣料加熱到熔融狀態(tài)后倒入結(jié)晶器中，通電起電弧后，調(diào)整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的8.38Ni-1.68Al-5.02Mn-0.5Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統(tǒng)與保護(hù)氣氛的高速盤(pán)磨破碎裝置中進(jìn)行破碎。對(duì)破碎后的粉末進(jìn)行篩選，得帶中間合金粉末。將40wt.％Fe粉、59.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y₂O₃粉末混合后進(jìn)行機(jī)械合金化。首先按照合金成分配比進(jìn)行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過(guò)程控制劑。將上述粉末預(yù)混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為340～500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為30-35h，得到機(jī)械合金化粉末。機(jī)械合金化采用低碳鋼作為包套進(jìn)行真空封焊，包套進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1000℃，壓力為150MPa，保溫時(shí)間為2h；得到接近全致密的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。固溶處理溫度為1000℃，保溫3h后空冷。時(shí)效處理溫度為600℃，保溫80h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。

實(shí)施例3：50wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y₂O₃粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金

以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進(jìn)行預(yù)處理，去除表面氧化物，預(yù)處理時(shí)間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于75℃下處理烘干45min；中間合金在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至160℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應(yīng)熔煉的鑄錠進(jìn)行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：15％CaO，15％Al₂O₃，5％TiO₂,5％MgO，8％CeO，余量CaF₂。將渣料加熱到熔融狀態(tài)后倒入結(jié)晶器中，通電起電弧后，調(diào)整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的10.06Ni-2.01Al-6.04Mn-0.6Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統(tǒng)與保護(hù)氣氛的高速盤(pán)磨破碎裝置中進(jìn)行破碎。對(duì)破碎后的粉末進(jìn)行篩選，得帶中間合金粉末。將50wt.％Fe粉、49.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y₂O₃粉末混合后進(jìn)行機(jī)械合金化。首先按照合金成分配比進(jìn)行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過(guò)程控制劑。將上述粉末預(yù)混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為340～500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為30-35h，得到機(jī)械合金化粉末。機(jī)械合金化采用低碳鋼作為包套進(jìn)行真空封焊，包套進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1100℃，壓力為130MPa，保溫時(shí)間為3h；得到接近全致密的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。固溶處理溫度為1100℃，保溫4h后空冷。時(shí)效處理溫度為700℃，保溫60h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。

實(shí)施例4：60wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y₂O₃粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金

以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進(jìn)行預(yù)處理，去除表面氧化物，預(yù)處理時(shí)間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于80℃下處理烘干30min；中間合金在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應(yīng)熔煉的鑄錠進(jìn)行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al₂O₃，5％TiO₂,5％MgO，10％CeO余量CaF₂。將渣料加熱到熔融狀態(tài)后倒入結(jié)晶器中，通電起電弧后，調(diào)整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的12.6Ni-2.52Al-7.56Mn-0.76Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統(tǒng)與保護(hù)氣氛的高速盤(pán)磨破碎裝置中進(jìn)行破碎。對(duì)破碎后的粉末進(jìn)行篩選，得帶中間合金粉末。將50wt.％Fe粉、49.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y₂O₃粉末混合后進(jìn)行機(jī)械合金化。首先按照合金成分配比進(jìn)行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過(guò)程控制劑。將上述粉末預(yù)混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為340～500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為30-35h，得到機(jī)械合金化粉末。機(jī)械合金化采用低碳鋼作為包套進(jìn)行真空封焊，包套進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1150℃，壓力為100MPa，保溫時(shí)間為3h；得到接近全致密的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。固溶處理溫度為1200℃，保溫4h后空冷。時(shí)效處理溫度為800℃，保溫24h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y₂O₃-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強(qiáng)化鐵基合金。