[發(fā)明專利]一種氧化物彌散強化ODS高熵合金及其制備方法

有效

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• 申請日: 2016-08-23
• 公開（公告）號: CN106435323B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設計）人: 劉雄軍;賈蓓;呂宗陽;王輝;吳淵;呂昭平
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/05
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發(fā)明屬于金屬結構材料領域，提供了一種氧化物彌散強化(ODS)高熵合金及其制備方法。

背景技術

氧化物彌散強化(ODS)合金目前一般采用粉末冶金技術將具有熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的細小氧化物均勻加入合金基體中。這些氧化物顆粒可在固溶強化和析出強化失效的高溫下，作為彌散強化質(zhì)點釘扎位錯和晶界，阻礙位錯移動以及再結晶過程的發(fā)生，從而有效提高材料的高溫力學性能和抗輻照性能。常用的氧化物為Y₂O₃、Al₂O₃、ThO₂等。目前，ODS合金的組織性能、加工工藝等方面的研究已成為材料研究領域的研究熱點之一。ODS合金現(xiàn)已被廣泛應用于航天航空領域的熱防護結構和發(fā)動機熱端部件、核反應堆的第一壁包殼及其他高溫結構件領域。

ODS鋼由于具有優(yōu)異的抗高溫蠕變性能和抗輻照性能，被認為是目前最具有發(fā)展前景的核包殼結構材料。然而，由于ODS鋼中晶界處含有較高體積分數(shù)的氧化物顆粒，使得材料的塑性和沖擊韌性較差，同時由于冷加工中存在嚴重的組織和性能各向異性，給合金制備帶來極大的困難，這在一定程度上限制了它在工程中的應用。因此有必要開發(fā)兼具高強度、高韌性和良好的加工性的新型ODS合金材料。

高熵合金是最近發(fā)展起來的一種新型金屬材料，它打破了傳統(tǒng)合金以一種或兩種金屬元素為主元的設計觀念，是一種至少包含四種組元、組元之間為等原子比或者近似等原子比，且每種組元含量在5％～35％之間的新型合金體系。雖然組元較多，但制備得到的高熵合金的結構卻比較簡單，一般為簡單的面心立方(FCC)、體心立方(BCC)或者密排六方(HCP)固溶體。由于其獨特的成分及結構特征，高熵合金具有一系列優(yōu)良的性能，如高強度、高韌性、高耐蝕性及良好的熱穩(wěn)定性等性能。此外，由于其化學成分的復雜性使得高熵合金內(nèi)部具有嚴重的晶格畸變，這極大地限制了合金內(nèi)原子的有效擴散速率。這種緩慢擴散效應有利于增加輻照過程中產(chǎn)生的空位和間隙原子的擴散阻力，降低二次缺陷如位錯環(huán)、層錯四面體、空洞的形成速度。因此，高熵合金還具有良好的抗輻照性能。高熵合金的高強度、高韌性、良好的熱穩(wěn)定性、抗輻照性能和抗腐蝕性能使其有望成為新一代核反應堆結構材料。但是，單相高熵合金也存在明顯不足：FCC固溶體結構的高熵合金韌性很好但屈服強度太低；而BCC固溶體結構的高熵合金強度高但塑性較差。因此，如何提高其綜合力學性能是高熵合金能否得到廣泛應用的當務之急。

目前的研究大都是通過內(nèi)生析出強化和固溶強化來提升高熵合金力學性能，而對于外生ODS高熵合金的研究還不多。因此，本發(fā)明以全面提升高熵合金力學性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能為目的，在高熵合金中應用氧化物彌散強化技術。相比于ODS鋼，ODS高熵合金的塑性和沖擊韌性更強。相比于純固溶體高熵合金，ODS高熵合金的的抗壓強度明顯提高。因此，本發(fā)明得到的ODS高熵合金在航空航天、冶金化工、電力能源等高科技領域都具有潛在的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明開發(fā)出一種氧化物彌散強化(ODS)高熵合金及其制備方法，通過微量氧化物顆粒的添加，在不損害合金塑性的前提下，合金的強度得到顯著提高。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)：在制備過程中通過機械合金化實現(xiàn)稀土氧化物Y₂O₃在合金基體中的固溶，然后在燒結過程中再析出形成高度彌散、尺度為納米級的彌散氧化物強化相，從而使得經(jīng)此發(fā)明方法制得的ODS高熵合金的力學性能更加優(yōu)異。進一步的，為了盡可能使Y₂O₃在球磨過程中形成更穩(wěn)定的納米團簇，在添加Y₂O₃的同時，添加微量Ti、Zr或Hf中的一種元素。

所述的氧化物彌散強化ODS高熵合金，其特征在于ODS高熵合金相組成由95％以上的固溶體相和小于5％的彌散分布的納米氧化物顆粒組成。

高熵合金基體至少包含4種元素，其原子百分比表達式為Fe_aCo_bNi_cCr_dL_e(原子摩爾比)，且各組分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0≤e≤35且a+b+c+d+e＝100。其中，L為Al和Mn中的一種或兩種。

進一步的ODS高熵合金是FeCoNiCr基，相組成為95％以上的FCC結構固溶體相和小于5％的彌散分布的納米氧化物顆粒；其壓縮屈服強度超過930MPa，壓縮應變達到50％以上。