[发明专利]一种机械合金化制备镍基氧化物弥散强化合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，特别提供了一种制备新型镍基氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthening，ODS)合金的方法。

背景技术

ODS合金是一种重要的能源用高温结构材料，目前研究最多的是ODS钢。ODS合金的研发在日本及欧美已十分活跃，近年来中国也越来越关注该领域的基础研究。

以ODS铁素体钢为例，由于它具有BCC晶体结构，在200dpa的中子辐照条件下仍有非常低的辐照肿胀率，再加上优异的抗氧化和抗腐蚀性能，ODS铁素体钢可用于快反应堆和国际第IV代高级反应堆中的包层材料，第一壁材料及高温结构件。ODS铁素体钢的开发对提高反应堆的热效率、减少环境污染、保证反应堆的安全性和长寿命运行具有重要意义。在聚变反应堆中，第一壁/包层的工作环境非常严酷，不仅要求材料具有良好的高温抗蠕变性能，而且还要有非常好的抗辐照损伤性能。传统的铁素体/马氏体钢的工作温度最高只能达到550～600℃，氧化物弥散强化铁素体钢能将工作温度提高到700℃。稳定的纳米氧化物颗粒赋予了材料优异的高温蠕变性能。ODS铁素体钢实现突破的关键是利用Y₂O₃的溶解/析出机制，通过同时添加Ti元素来获得更加细小的氧化物增强相，而且能使增强相在基体中的分布更加均匀。在机械合金化过程中，Y₂O₃颗粒发生溶解，并在随后的加热过程中以Y-Ti-O复杂氧化物(2nm)的形式析出。由于析出的氧化物颗粒的粒径(3-5nm)小于添加的Y₂O₃的粒径(20-30nm)。这对增强相的粒径、晶粒度、马氏体相变和ODS铁素体钢的高温蠕变性能都有至关重要的作用。

粉末冶金镍基高温合金能在600℃以上高温抗氧化或抗腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的高温材料，它由于具有优良的高温性能而广泛用作发动机涡轮盘等高温结构材料。粉末冶金镍基高温合金解决了传统的铸锻高温合金因合金化程度高造成铸锭偏析严重以及热加工性能差等问题，从而使粉末高温合金涡轮盘具有更为优异的力学性能和热加工性能，把镍基高温材料提高到一个全新的水平，从而成为高推重比航空发动机涡轮盘等关键部件的首选材料。我国自七十年代末开始粉末高温合金的研究以来，历经了两代粉末高温合金的研究过程，分别是第一代使用温度650℃的高强型FGH95合金和第二代使用温度750℃的损伤容限型FGH96合金。比较第一代高强型FGH95合金，FGH96合金在成分优化上有以下特点：[1]添加了更多的固溶强度元素Co，Mo和W，提高合金的高温强度；[2]降低了γ′相形成元素Al，Ti的总量，使γ′相体积百分数从50％减少到不到40％；[3]元素Nb含量从3.5％降低到0.8％，作用其一是辅助降低了γ′相体积百分数，其二是改善合金的缺口敏感性。另外，Cr含量的增加可以提高合金的抗氧化性，加入微量的Ce以净化晶界和提高晶界的强韧化效果。由此可见，FGH96合金具有更优异的综合力学性能。

ODS镍基超合金在1000℃以上仍具有优异的高温蠕变性能、疲劳性能和抗氧化性能。可用作涡轮喷气发动机中的导向叶片或涡轮叶片，不仅可以在高温下长期使用，而且还能承受气体腐蚀、蠕变和疲劳载荷。ODS镍基超合金优异的高温蠕变性能主要得益于氧化物颗粒的弥散强化、γ′[Ni₃(Al，Ti)]的析出强化和拉长晶粒抑制晶界滑移。ODS镍基超合金的中温(700～900℃)强度比铸造镍基超合金低，通过Al、Ti和Ta的添加形成了FCC(L1₂)有序结构的γ′相并与γ基体保持共格，提高了中温强度。在更高温度下(T＞1000℃)使用时，γ′由于溶解而失去强化作用，此时稳定氧化物的强化作用占主导。目前，ODS镍基超合金存在的问题是，氧化物弥散相的粒径(15～50nm)比铁基ODS合金中的Y₂Ti₂O₇弥散相(3nm)粗大得多，这是因为Y₂O₃容易与固溶的Al反应形成一系列的Y-Al-O复杂氧化物(Al₂Y₄O₉、Al₅Y₃O₁₂和AlYO₃)，以及少量Al₂O₃而发生粗化。因此，设法减小氧化物的粒径是保证长期组织稳定性和进一步提高力学性能的关键所在。