一種放電等離子體燒結制備ods鐵基合金的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種放電等離子體燒結(Spark Plasma Sintering, SPS)制備氧化物彌散強化鐵基合金的方法，屬于粉末冶金材料領域。
【背景技術】
[0002]氧化物彌散強化(Oxide dispers1n strengthened, 0DS)鐵基合金具有優(yōu)異的室、高溫強度，高溫抗蠕變性能及抗輻射穩(wěn)定性能，是核能、熱加工等領域的優(yōu)選結構材料
[0003]目前，制備ODS鐵基合金主要是采用機械合金化(MA)方法將氧化物顆粒均勻分散到合金粉末基體，然后經(jīng)粉末成形及變形加工處理獲得，其強化效果取決于氧化物彌散相的尺寸及分布。通常，將Y2O3等氧化物粉末與原料粉末混合，經(jīng)機械球磨破碎，將Y2O3等氧化物粉末均勻分散到原料粉末基體，經(jīng)粉末成形和加工過程，制備得到氧化物彌散分布的ODS合金[Kishimoto H, Alinger M J, Odette G R, et al.J Nucl Mater 329 - 333 (2004): 369 ；Miller M K, Kenik E A, Russell K F, et al.Mater Sci Eng: A.353 (2003): 140.]。要將Y2O3顆粒通過球磨破碎、均勻分散到合金基體，工藝要求苛刻，需要長達一百多小時的長時間球磨[Baluc N, Boutard J L, Dudarev S L, et al.J Nucl Mater 417 (2011): 149 ;中國專利CN102994884A，CN200910083638.5]，工藝周期長，效率低。長時間球磨，會引入雜質，降低合金的性能。為了防止球磨過程引入過量的氧，要求在真空保護氣氛中球磨。
[0004]其次，目前的粉末熱成形主要是采用機械合金化粉末熱等靜壓、熱壓燒結或模壓-燒結、熱擠壓等工藝，粉末熱成形時間較長，所制備合金中氧化物相尺寸、分布不易控制。
[0005]針對上述問題，中國專利CN102994884A，公開了一種納米結構氧化物彌散強化鋼的高效制備方法，采用霧化法直接(一步)制備出含有Y和Ti過飽和固溶的粉體固溶體合金，以取代母合金(不含Y、Ti)霧化制粉+霧化粉與Y2O3和Ti長時間機械合金化的常規(guī)工藝。但是，該發(fā)明沒有提供引入形成氧化物強化相所需的氧的方法。中國專利CN101265530A，公開了一種納米團簇彌散強化鐵基合金的制備方法，采用霧化鐵基預合金粉末進行室溫模壓、1350°C /2h燒結制備坯體，然后在900°C?1200°C鍛造成形工藝制備ODS鐵基合金的方法。這種方法制備工藝簡單，但長時間的高溫燒結使粉末表面氧化，降低材料的力學性能，難以制備出高性能的ODS鐵基合金。
[0006]針對上述問題，本專利提出采用氬氣霧化Fe-Cr-W-T1-Y預合金粉末，在空氣氣氛中機械球磨制備含氧粉末，再經(jīng)放電等離子燒結和后續(xù)處理，制備得到大量細小氧化物彌散分布的ODS鐵基合金。這種采用氧化物形成元素Y、Ti合金化的鐵基預合金粉末為原料，在含氧氣氛中機械球磨制備含氧預合金粉末，經(jīng)SPS制備ODS鐵基合金的技術在相關文獻中還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有制備ODS鐵基合金技術存在的不足，提供一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法。
[0008]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，包括下述步驟:
[0009]步驟一:以鐵基預合金粉末為原料，通過球磨得到含氧預合金粉末；
[0010]步驟二:將步驟一所得含氧預合金粉末經(jīng)放電等離子體燒結(SPS)、熱乳制和退火處理，得到ODS鐵基合金；所述放電等離子體燒結的條件為:燒結壓力40?60MPa、燒結溫度1050?1250°C、燒結時間6?8min。
[0011]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟一中所述鐵基預合金粉末為Fe-Cr-W-T1-Y預合金粉末。進一步優(yōu)選為氬氣霧化Fe-Cr-W-T1-Y預合金粉末。
[0012]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟一中所述鐵基預合金粉末的粒度小于等于150 μ m，優(yōu)選為小于等于75 μπι。
[0013]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟一中所述鐵基預合金粉末中氧的質量百分含量小于等于0.05%。
[0014]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟一中所述球磨的參數(shù)為:轉速250?350r/min，球料質量比8?12:1，球磨時間12?24小時，球磨罐填充率為50?60%。
[0015]本發(fā)明一種制備氧化物彌散強化鐵基合金的方法，步驟一中所述球磨，球磨罐為可密閉球磨罐，并設有與空氣連通的通孔，通孔孔徑為3?5毫米。
[0016]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，球磨后，在手套箱保護氣氛中篩分，得到含氧預合金粉末。這是為了控制球磨制備的含氧預合金粉末氧的含量小于等于0.30wt %。
[0017]本發(fā)明一種制備氧化物彌散強化鐵基合金的方法，球磨制備的鐵基含氧預合金粉末，氧的質量百分含量小于等于0.30%。
[0018]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，所述放電等離子體燒結的優(yōu)選條件為:燒結壓力40?60MPa、燒結溫度1050?1250°C、燒結時間6?8min。
[0019]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟二中所述熱乳的條件為??溫度900?1100°C、總變形量40?70%。
[0020]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，步驟二中；熱乳后進行退火處理；退火時，控制退火溫度為1000?1300°C，時間為I?2h。
[0021]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，所得成品中，強化相的尺寸為5nm?50nmo
[0022]本發(fā)明一種放電等離子體燒結制備ODS鐵基合金的方法，所述ODS鐵基合金中，強化相為Y-T1-O相。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:
[0024]本發(fā)明采用Y、Ti合金化的預合金粉末，在含氧氣氛中，利用機械球磨引入氧，得到氧均勻分布的球磨粉末，經(jīng)過放電等離子體燒結、熱乳制和退火處理，制備出具有彌散分布的納米氧化物的鐵基合金。
[0025]首先，在高溫熔體中，合金元素分布均勻。采用氣體霧化制粉，由于霧化過程冷卻速度快，可有效抑制凝固過程合金元素發(fā)生偏析，因此氬氣霧化制備的Fe-Cr-W-T1-Y預合金粉末合金元素分布均勻，為形成彌散分布的氧化物提供了條件。
[0026]其次，利用制粉過程引入氧，有效解決了制粉工藝過程引入的雜質氧利用及氧的均勻分布問題。
[0027]將氬氣霧化制備的Fe-Cr-W-T1-Y預合金粉末，在空氣氣氛中球磨，制備氧均勻分布的含氧鐵基合金粉末，代替添加Y2O3顆粒球磨制備含Y 203顆粒的鐵基合金復合粉末，有利于獲得尺寸細小、分布均勻的氧化物強化相。
[0028]在含氧氣氛中，粉末表面會吸附氣氛中的氧。在鐵基合金中，O-空位對的形成能較低，其次是 O-Y對、O-Ti 對[Fu C L, Painter G S，et al.Phy Rev Lett 99 (2007): 225502]。粉末經(jīng)過機械球磨，會形成高密度空位、位錯、裂紋等變形缺陷，為氣氛中氧的擴散、駐留提供了結構條件。本發(fā)明利用這一特性，通過機械球磨，在粉末中形成一定量的空位、位錯、裂紋等變形缺陷，氧在機械球磨能量的作用下通過變形缺陷均勻擴散到粉末基體，與霧化和球磨產(chǎn)生的空位結合，形成O-空位對，為形成彌散分布的納米氧化物提供必要條件。
[0029]因粉末球磨制備過程的工藝特點，粉末球磨制備過程引入氧是無法避免的。采用添加Y2O3顆粒與鐵基預合金粉末球磨制備含Y 203顆粒的鐵基合金復合粉末，工藝過程引入的氧屬于過剩氧，會在粉末成形過程中為氧化物長大提供物質條件。
[0030]本發(fā)明采用Y、Ti合金化粉末在空氣氣氛中球磨，將制粉過程與氧的引入相結合，充分利用制粉工藝過程在粉末基體引入均勻分布的氧，然后通過高溫快速內(nèi)氧化形成彌散分布的氧化物，代替預合金原料粉末與Y2O3混合球磨，在粉末基體直接引入氧化物，有效解決了制粉工藝過程引入的雜質氧的利用問題。
[0031]第三，有效解決了氧化物相長大問題。氧在高溫下更容易與合金基體中均勻分布的活性元素Y、Ti發(fā)生反應被消耗，形成尺寸細小、分布均勻的氧化物。采用放電等離子體燒結，實現(xiàn)了粉體的快速升溫燒結成形，避免長時間加熱、保溫導致氧擴散聚集，從而有效抑制了氧化物彌散相的長大。
[0032]第四、解決了氧化物分布均勻性問題。采用鐵基預合金粉末與Y2O3混合球磨制備鐵基預合金復合粉末，很難實現(xiàn)Y2O3均勻分布。本發(fā)明采用合金成分均勻的氣體霧化鐵基預合金粉末，通過球磨解決了氧分布均勻性，利用SPS快速升溫、在高溫合成獲得均勻分布的氧化物，避免長時間加熱、保溫導致氧擴散聚集導致的氧化物分布不均勻問題。
[0033]本發(fā)明采用孔徑為3?5毫米的通孔，將球磨罐內(nèi)氣氛與大氣氣氛相連通，球磨罐內(nèi)氣氛只能通過小孔徑連通孔來與外界大氣來實現(xiàn)交換。在球磨過程中，球磨機械能部分轉化為熱能，球磨罐內(nèi)粉體、磨球和氣體構成的體系溫度升高，球磨罐內(nèi)氣氛溫度高于外部大氣溫度，這在一定程度上限制了外界大氣向球磨罐內(nèi)的擴散。同時，本發(fā)明由于限定了通孔的孔徑，在一定程度上就減緩了球磨粉末引入氧的速度，這便于通過控制球磨參數(shù)實現(xiàn)對粉末氧含量的控制。
[0034]本發(fā)明通過控制球料比、球料填充率、球磨轉速、球磨時間，實現(xiàn)了對球磨過程引入粉末的氧含量的控制，避免氧含量過高而導致納米氧化物強化相長大，降低合金力學性能。本發(fā)明通過球料比、球料填充率、球磨轉速、球磨時間的協(xié)同作用，得到了氧元素均勻分布的含氧粉末，這為制備高性能ODS鐵基合金提供了必要條件。
[0035]本發(fā)明采用Y、Ti合金化粉末，通過在空氣氣氛中球磨，在粉末基體引入均勻分布的氧，然后通過內(nèi)氧化形成彌散分布的氧化物，代替直接球磨Y2O3,避免長時間球磨(本發(fā)明制備ODS鐵基合金粉末只需12?24小時，而采用直接球磨Y2O3,制備ODS鐵基合金粉末一般需要一百多個小時)，提高了效率，降低了生產(chǎn)成本。
[0036]本發(fā)明采用氧均勻分布的球磨粉末，利于得到獲得彌散均勻分布的納米氧化物強化相，可有效提高合金的拉伸強度。
[0037]本發(fā)明球磨時間短，減少了雜質的引入，這也有利于提高合金的力學