[發明專利]一種層狀增韌ODS鋼及其制備方法

有效

• 申請號: 201410654672.4
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104476842A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 索進平;張穎;劉大為;周同;王艷
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B32B15/01
• 分類號: B32B15/01;B32B37/06;C22C33/02;C22C38/28
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于鋼結構材料領域，具體涉及一種層狀增韌ODS鋼及其制備方法，它尤其適用于聚變堆的包層結構。

背景技術

在聚變堆中，包層的工作環境非常嚴酷，不僅要求材料具有良好的抗高溫蠕變性能，而且還要求有較高的抗輻照性能。傳統的低活化鐵素體/馬氏體鋼的工作溫度最高只能達到550～600℃，而氧化物彌散強化(Oxide?Dispersion?Strengthened，簡稱ODS)鋼能將工作溫度提高到700℃，大大提高聚變堆的能量轉換效率。

ODS鋼的優異性能主要歸功于大量細小穩定的氧化物，如Y₂Ti₂O₇、Y₂TiO₅和(Ti,Y,O)納米團簇，尤其是尺寸為1-5nm的(Ti,Y,O)納米團簇。這些細小的氧化物顆粒、納米團簇能有效地釘扎晶界、空位和位錯，元素擴散也被抑制，因此能有效地抑制晶界滑移，使ODS鋼具備優異的抗高溫蠕變性能。同時，高密度細小的氧化物彌散顆粒在高溫及輻照條件下都具有很高的穩定性，可以作為有效陷阱捕獲點缺陷及輻照嬗變產物如氫氦等氣泡，因此ODS鋼也具有優異的抗輻照性能。因此，ODS鋼被認為是最有發展前景的包層結構材料，是現在開發的聚變堆用結構材料中唯一兼具輻照穩定性和良好高溫強度的材料。但是，ODS鋼最大的缺點是其韌性較差，其DBTT(Ductile-Brittle?Transition?Temperature，簡稱韌脆轉變溫度)較RAFM(Reduced?Activation?Ferritic/Martensitic，簡稱低活化鐵素體/馬氏體鋼)鋼大約高出100℃，這在很大程度上限制了它在工程上的應用。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種層狀增韌ODS鋼及其制備方法，通過軟硬交替的層狀結構設計，目的在于增強了ODS鋼的韌性，同時還保留了其良好的抗高溫蠕變性能以及抗輻照穩定性，本發明還提供了該ODS鋼的制備方法。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種層狀增韌ODS鋼，其特征在于，其包括相互交替層疊的基體層和增韌層，所述基體層包括母粉、Ti、Y₂O₃以及CrN，所述Ti含量為基體層質量分數的0.3％，所述Y₂O₃含量為基體層質量分數的0.35％，所述CrN含量為基體層質量分數的0.5～1％；所述增韌層包括金屬鉭片。

進一步的，所述母粉包含的成分及各個成分在母粉中的質量百分比分別為：0.1％C、9％Cr、2.5％W、0.25％V、0.5％Mn、余量的Fe和雜質元素。

進一步的，所述金屬鉭片的厚度為30μm。

進一步的，所述基體層的厚度為150～200μm。當基體層的厚度為150～200μm，且金屬鉭片的厚度為30μm時，層狀增韌ODS鋼具有較好的綜合性能。

按照本發明的另一方面，還提供了一種制備層狀增韌ODS鋼的方法，其特征在于，用于制備如上所述的包括基體層和增韌層的鋼，包括如下步驟：

S1：將母粉、Ti、Y₂O₃以及CrN混合后在惰性氣體保護下進行機械合金化，接著篩分獲取粒徑小于40μm的基體粉末；

S2：將金屬鉭片和步驟S1獲得的所述基體粉末交替層疊以獲得待燒結體；

S3：在惰性氣體保護下對步驟S2獲得所述待燒結體進行放電等離子燒結，燒結溫度為900℃～1100℃，燒結壓力為90Mpa～100Mpa，燒結過程中保溫時間為10min～20min。

進一步的，步驟S1獲取的所述基體粉末經過氨氣或者氫氣還原后，才進行所述步驟S2和所述步驟S3。

進一步的，所述Ti含量為基體層質量分數的0.3％，所述Y₂O₃含量為基體層質量分數的0.35％，所述CrN含量為基體層質量分數的0.5～1％，所述母粉包含的成分及各個成分在母粉中的質量百分比分別為：0.1％C、9％Cr、2.5％W、0.25％V、0.5％Mn、余量的Fe和雜質元素。

進一步的，步驟S3中放電等離子燒結的升溫速度為80℃/min～120℃/min。