[發明專利]一種含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼及其制備方法

無效

• 申請號: 201210110076.0
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN103374684A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發明（設計）人: 夏艷萍;孫欽星;王先平;方前鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: C22C38/28
• 分類號: C22C38/28;C22C33/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于核能材料制備技術領域，特別涉及含鋁高均勻分散納米Y₂O₃顆粒彌散強化及抗氧化性能鋼的制備。

背景技術

低活化鐵素體鋼(Reduced?activation?ferritic?steel，RAFs)具有優異的熱傳導和抗腫脹、抗輻射性能，有望在先進核裂變和未來核聚變反應堆結構材料中得到應用，但其使用最高溫度被限制在550～600℃。通常，通過引入納米氧化物粒子，可以使得RAFs材料在繼承優良性能的同時又能在較高溫度下服役，而通過向合金中加入某些金屬元素可以提高其在較高溫度使用時的抗氧化性能。本領域技術人員所知的是，已有人利用第一性原理研究闡明Ti-Y-O納米團簇的必要條件是Ti、Y、O原子彌散分布與空位自組團，團簇的形成、析出會降低體系的能量，因而是一種自發的過程。而納米團簇一旦產生則非常穩定，在高溫時保溫也不會發生明顯長大。彌散相足夠小且均勻分散時，能提高對位錯運動的阻力，有利于材料力學性能的提高。同時，彌散的納米級缺陷還可湮沒輻照點缺陷，增強材料抗輻照性能。

而鋼中添加Al和Cr會提高氧化物彌散強化(ODS)鐵素體鋼的抗氧化性。然而通常加Al有兩種方法：向鋼表面鍍Al₂O₃薄膜和向合金中添加Al。在表面鍍膜易脫落且不易控制薄膜在其表面的分布均勻程度。而向其中添加Al不僅可以改善ODS合金的韌性和可加工性能，還可在合金表面形成致密Al₂O₃薄膜保護層，減慢Cr₂O₃的生成速度，從而有效增強ODS鐵素體鋼的抗氧化能力。但Al含量越高會使晶粒粗化以及高溫強度降低。高Cr會促進表面Al氧化膜的形成，但Cr過高，易導致鋼的熱老化脆化。

目前，ODS鐵素體高溫合金主要通過機械合金法(MA)制備粉末，熱擠壓或熱等靜壓固結成型工藝制備，其微觀結構特征主要為納米尺度的超細晶以及基體中2-3nm的Y-Ti-O團簇和幾個到幾十個納米的Y₂Ti₂O₇，Y₂TiO₅及其他氧化物作為彌散強化質點釘扎晶界和位錯，細晶強化和彌散強化共同作用賦予合金較高的強度和蠕變性能。通過機械合金化制備粉末，熱擠壓或熱等靜壓固結成型獲得的ODS鐵素體鋼，通常韌性較低，冷加工性能較差，在實際服役過程中容易意外斷裂失效。

放電等離子燒結技術(SPS)，也稱作等離子活化或脈沖電流熱壓燒結，是利用脈沖電流激活晶粒表面，擊穿空隙內殘留空氣，局部放電，產生等離子體，同時會瞬間產生局部高溫，在晶粒表面引起蒸發和融化，并在晶粒接觸點形成頸部，從而促進材料的燒結，是一種新型快速燒結方法。這種制備工藝與傳統的粉末冶金相比，它融等離子活化、熱壓為一體具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、致密度高、冷卻迅速、外加壓力和燒結氣氛可控、節能環保等特點，目前廣泛用于金屬材料、陶瓷材料、金屬間化合物、硬質合金、梯度功能材料和磁性材料等一系列新型材料的制備。

為改善ODS鐵素體高溫合金的冷加工性能，提高其抗氧化性能和氧化物顆粒的彌散均勻性，本發明的發明人研究發現，通過使用溶膠-凝膠法制備前驅體，結合機械合金化法制備合金粉體，再通過放電等離子燒結制備出含鋁抗氧化性能強、氧化物顆粒彌散均勻的ODS鐵素體鋼，從而完成了本發明，目前相關結果未見報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼，其相對于傳統的機械合金化方法，具有氧化物顆粒細小、成分分散均勻和抗氧化性強等特點。

本發明的另一目的是提供一種含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼的制備方法。

為實現以上本發明的目的，本發明采用如下的技術方案：

一種含鋁氧化物彌散強化(Al-ODS)鐵素體鋼，按重量百分比，其組份的化學式為：Fe-(14～17)Cr-(3～6)Al-(2.5～3)W-(＜1)Ti-(0.1～0.5)Y₂O₃。

優選地，所述Al-ODS鐵素體鋼組份的化學式為Fe-16Cr-5Al-3W-0.2Ti-0.4Y₂O₃，其中，所述含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼粉體顆粒尺寸為1-5μm，氧化物晶粒尺寸為10-30nm。

制備前述的含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼的方法，包括下述步驟：