專利名稱：一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，涉及核反應(yīng)堆核心 部件用耐高溫、高強(qiáng)度、抗輻照合金的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前核電發(fā)展方向?yàn)闊岫?壓水堆)一快中子堆(第四代堆)一聚變堆。但先進(jìn)核 反應(yīng)堆(包括四代堆和聚變堆)的工作溫度和輻照強(qiáng)度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有二代/三代裂變堆，因此 對(duì)先進(jìn)堆核心部件結(jié)構(gòu)材料的性能提出了極為苛刻的要求，國(guó)際上已經(jīng)形成共識(shí)雖然有 許多高難技術(shù)問題需要解決，但先進(jìn)堆的發(fā)展將取決于高性能的新型結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，即 材料是制約先進(jìn)堆發(fā)展的主要瓶頸。目前只有納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼有可能滿足先進(jìn) 堆的抗輻照要求，優(yōu)異的抗輻照性能來自其特征性的微觀結(jié)構(gòu)，特別是納米結(jié)構(gòu)氧化物彌 散析出相。但其高溫強(qiáng)度仍不足和存在性能各向異性問題。冶金學(xué)的基本知識(shí)表明晶粒的細(xì)化能夠明顯提高合金強(qiáng)度；美國(guó)學(xué)者在制備納米 結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼過程中采用熱擠壓作為固體化工藝獲得微米尺度晶粒的納米結(jié)構(gòu) 氧化物彌散強(qiáng)化鋼后，通過復(fù)雜的反復(fù)熱機(jī)械處理在實(shí)驗(yàn)室得到晶粒度 200nm的納米結(jié) 構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼，其性能數(shù)據(jù)證實(shí)晶粒的細(xì)化大幅度提升納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散型強(qiáng)化 鋼的強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，但仍存在結(jié)構(gòu)和性能的各向異性問題。納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的典型制備工藝是①母合金霧化制粉或合金組成元 素的純金屬粉，與稀土氧化物和金屬Ti共同球磨(機(jī)械合金化)以獲得預(yù)定組分的合金并實(shí) 現(xiàn)稀土氧化物和Ti的固溶，得到的粉體合金的晶粒度約幾十納米；②熱擠壓/熱等靜壓實(shí) 現(xiàn)粉體合金的固體化成型，期間固溶的稀土氧化物和Ti以納米尺度的氧化物形式重新析 出。但由于固體化處理需要的溫度高( 1100°c)、時(shí)間長(zhǎng)( 120min)，固體化后合金的晶 粒度長(zhǎng)大到微米級(jí)；③再結(jié)晶熱處理/熱機(jī)械處理等后續(xù)處理。目前采用的固體化工藝是 熱等靜壓或熱擠壓，前者需要高溫固體化的時(shí)間長(zhǎng)，晶粒比較粗大；后者固體化時(shí)間較短， 晶粒比前者細(xì)小，但存在顯著的結(jié)構(gòu)和性能各向異性的問題，需復(fù)雜的后期熱機(jī)械/再結(jié) 晶處理。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，采 用放電等離子體燒結(jié)取代熱擠壓/熱等靜壓作為納米結(jié)構(gòu)ODS鋼的固體化工藝，使合金的 晶粒度由微米級(jí)減小到< 500納米。本發(fā)明一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，用霧化法制備的!^e 基、Fe-Cr基、Fe-Cr-W基合金粉，或相應(yīng)組分比例的純金屬元素粉，與金屬Ti粉和納米尺 度的^O3粉在真空或Ar氣保護(hù)下進(jìn)行球磨(機(jī)械合金化)，形成富含過飽和Y、Ti、0的固 溶體合金粉；然后將Y、Ti、0過飽和的固溶體合金粉置入模具中，在放電等離子體燒結(jié)設(shè) 備中進(jìn)行固體化燒結(jié)，燒結(jié)環(huán)境可為真空或惰性氣體，燒結(jié)溫度為80(Tl20(rC，保溫時(shí)間為廣15min，燒結(jié)壓力為l(T200MPa，得到超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼。上述合金粉或金屬元素粉中各元素按質(zhì)量百分比Cr為8 16 W為廣4% ；Mn為 0 1%、Ta為0 1%，V為0 1%，余量為Fe。上述加入Ti粉和IO3粉的質(zhì)量百分比均為IO3為0. Γ3%, Ti為0.廣3%。上述超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼通過透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)其微觀組 織進(jìn)行觀察，合金的晶粒度< 500納米。上述制備的超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的晶體結(jié)構(gòu)為鐵素體、馬氏 體或者鐵素體/馬氏體雙相結(jié)構(gòu)。上述經(jīng)過放電等離子體固體化燒結(jié)后，合金密度 > 理論密度的98%，晶粒尺度 (500納米，合金基體中含有高度彌散分布的、尺度為幾個(gè)納米的非平衡氧化物析出相。本發(fā)明采用放電等離子體燒結(jié)取代熱擠壓/熱等靜壓作為納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散 強(qiáng)化鋼的固體化工藝，由于燒結(jié)溫度可明顯降低和燒結(jié)時(shí)間可大幅縮短，抑制了粉體合金 晶粒度在固體化過程中的長(zhǎng)大，使合金的晶粒度由微米級(jí)細(xì)化至￡500nm，構(gòu)建出超細(xì)晶粒 納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼，在保持納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼特征性微觀結(jié)構(gòu)和抗輻照 性能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度的大幅提升，以滿足先進(jìn)堆核心部件對(duì)材料 耐高溫、抗輻照的使用要求，更高的使用溫度意味著有更高的反應(yīng)堆效率。


圖1為利用放電等離子體燒結(jié)作為固體化工藝制備的超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物 彌散強(qiáng)化鋼微觀組織的透射電子顯微鏡(TEM)照片。圖2為利用放電等離子體燒結(jié)作為固體化工藝制備的超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物 彌散強(qiáng)化鋼微觀組織的衍射譜照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法 作詳細(xì)介紹。實(shí)施例1
采用高純金屬元素粉，各組分按質(zhì)量百分比Cr為9.0%，W為1.0%，Mn為0.4%，V為 0. 4%，Ta為0. 4%，余量為Fe,與質(zhì)量百分比為0. 3%的Ti粉，0. 3%的Y2O3粉混合，經(jīng)高能球 磨，形成IO3和Ti完全固溶的過飽和合金粉，粉體顆粒度在微米級(jí)，晶粒度在幾十納米數(shù)量 級(jí)。經(jīng)放電等離子體在真空環(huán)境中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000°c，燒結(jié)時(shí)間為:3min，燒結(jié)壓力為 40MPa,固體化成型后合金的晶體結(jié)構(gòu)為馬氏體，密度為理論密度的98. 1%，室溫拉伸強(qiáng)度為 1204MPa，絕大多數(shù)晶粒的尺度在10(Γ300納米之間，見圖1、圖2所示。實(shí)施例2
采用高純金屬元素粉，各組分按質(zhì)量百分比Cr為16. 0%，W為4. 0%，余量為Fe，與質(zhì) 量百分比為3%的Ti粉，3%的^O3粉混合，經(jīng)高能球磨，形成^O3和Ti完全固溶的過飽 和合金粉，粉體顆粒度在微米級(jí)，晶粒度在幾十納米數(shù)量級(jí)。經(jīng)放電等離子體在Ar氣環(huán)境 燒結(jié)，燒結(jié)溫度800°C，燒結(jié)時(shí)間15min，燒結(jié)壓力200MPa，固體化成型后合金的晶體結(jié)構(gòu)為 鐵素體，密度達(dá)到理論密度的98.2%，室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到1158MPa。絕大多數(shù)晶粒的尺度在150-350nm 之間。 ‘ 實(shí)施例3
采用霧化合金粉，合金各組元按質(zhì)量百分比Cr為12. 0%, W為2. 0%, Mn為1. 0%, 1. 0%V, 1. 0%Ta，，余量為Fe，與質(zhì)量百分比為0. 1%的Ti，0. 1%的^O3混合，經(jīng)高能球磨，形成^O3 和Ti完全固溶的過飽和合金粉，粉體顆粒度在微米級(jí)，晶粒度在幾十納米數(shù)量級(jí)。經(jīng)放電 等離子體在Ar氣環(huán)境燒結(jié)，燒結(jié)溫度1200°C，燒結(jié)時(shí)間lmin，燒結(jié)壓力lOMPa，固體化成型 后合金的晶體結(jié)構(gòu)為鐵素體/馬氏體雙相結(jié)構(gòu)，密度達(dá)到理論密度的98. 0%，室溫拉伸強(qiáng)度 達(dá)到1047MPa。絕大多數(shù)晶粒的尺度在20(Γ500納米之間。
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，用霧化法制備的狗基、 Fe-Cr基、Fe-Cr-W基母合金粉，或相應(yīng)組分比例的純金屬元素粉，與金屬Ti粉和納米尺度 的^O3粉在真空或Ar氣保護(hù)下進(jìn)行球磨機(jī)械合金化，形成富含過飽和Y、Ti、0的固溶體合 金粉，其特征在于將過飽和固溶體合金粉用碳紙包覆，置入石墨模具，在放電等離子體燒結(jié) 設(shè)備中進(jìn)行固體化燒結(jié)，燒結(jié)環(huán)境可為真空或惰性氣體，燒結(jié)溫度為80(Tl20(rC，保溫時(shí)間 為廣15min，燒結(jié)壓力為l(T200MPa，得到晶粒度彡500納米的超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌 散強(qiáng)化鋼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，其 特征在于所述母合金粉，或相應(yīng)組分比例的純金屬元素粉中，各元素按質(zhì)量百分比Cr為 8 16%，W為Γ4% ；Mn為0 1%、Ta為0 1%，V為0 1%，余量為Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，其特 征在于加入Ti粉和Y2O3粉的質(zhì)量百分比Y2O3為0. 1-3%，Ti為0. 1-3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，其特 征在于所制備的超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的晶體結(jié)構(gòu)為鐵素體、馬氏體或鐵素 體/馬氏體雙相結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，其特 征在于經(jīng)過放電等離子體燒結(jié)后，合金密度>理論密度的98%，晶粒尺度< 500納米，合金 基體中含有高度彌散分布的、尺度為幾個(gè)納米的非平衡氧化物析出相。
全文摘要
本發(fā)明一種超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼的制備方法，使用用霧化法制備的合金粉或相應(yīng)組元比例的純金屬元素粉，與金屬Ti粉和納米尺度的Y2O3粉在真空或Ar氣保護(hù)下進(jìn)行球磨機(jī)械合金化，形成富含過飽和Y,Ti,O的固溶體合金粉；再將過飽和固溶體合金粉置入模具，在放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行固體化燒結(jié)，燒結(jié)環(huán)境可為真空或惰性氣體，燒結(jié)溫度為800~1200℃，保溫時(shí)間為1~15min，壓力為10~200MPa，得到出超細(xì)晶粒納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼。本發(fā)明使合金的晶粒度由微米級(jí)細(xì)化至￡500納米，在保持納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼特征性微觀結(jié)構(gòu)和抗輻照性能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度的大幅提升，以滿足先進(jìn)核反應(yīng)堆核心部件對(duì)材料耐高溫、抗輻照的使用要求。
文檔編號(hào)C22C33/02GK102071348SQ20101059416
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月18日
發(fā)明者劉春明, 呂錚 申請(qǐng)人:東北大學(xué)