[发明专利]一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核能材料制备技术领域，特别涉及含铝高均匀分散纳米Y₂O₃颗粒弥散强化及抗氧化性能钢的制备。

背景技术

低活化铁素体钢(Reduced activation ferritic steel，RAFs)具有优异的热传导和抗肿胀、抗辐射性能，有望在先进核裂变和未来核聚变反应堆结构材料中得到应用，但其使用最高温度被限制在550～600℃。通常，通过引入纳米氧化物粒子，可以使得RAFs材料在继承优良性能的同时又能在较高温度下服役，而通过向合金中加入某些金属元素可以提高其在较高温度使用时的抗氧化性能。本领域技术人员所知的是，已有人利用第一性原理研究阐明Ti-Y-O纳米团簇的必要条件是Ti、Y、O原子弥散分布与空位自组团，团簇的形成、析出会降低体系的能量，因而是一种自发的过程。而纳米团簇一旦产生则非常稳定，在高温时保温也不会发生明显长大。弥散相足够小且均匀分散时，能提高对位错运动的阻力，有利于材料力学性能的提高。同时，弥散的纳米级缺陷还可湮没辐照点缺陷，增强材料抗辐照性能。

而钢中添加Al和Cr会提高氧化物弥散强化(ODS)铁素体钢的抗氧化性。然而通常加Al有两种方法：向钢表面镀Al₂O₃薄膜和向合金中添加Al。在表面镀膜易脱落且不易控制薄膜在其表面的分布均匀程度。而向其中添加Al不仅可以改善ODS合金的韧性和可加工性能，还可在合金表面形成致密Al₂O₃薄膜保护层，减慢Cr₂O₃的生成速度，从而有效增强ODS铁素体钢的抗氧化能力。但Al含量越高会使晶粒粗化以及高温强度降低。高Cr会促进表面Al氧化膜的形成，但Cr过高，易导致钢的热老化脆化。

目前，ODS铁素体高温合金主要通过机械合金法(MA)制备粉末，热挤压或热等静压固结成型工艺制备，其微观结构特征主要为纳米尺度的超细晶以及基体中2-3nm的Y-Ti-O团簇和几个到几十个纳米的Y₂Ti₂O₇，Y₂TiO₅及其他氧化物作为弥散强化质点钉扎晶界和位错，细晶强化和弥散强化共同作用赋予合金较高的强度和蠕变性能。通过机械合金化制备粉末，热挤压或热等静压固结成型获得的ODS铁素体钢，通常韧性较低，冷加工性能较差，在实际服役过程中容易意外断裂失效。

放电等离子烧结技术(SPS)，也称作等离子活化或脉冲电流热压烧结，是利用脉冲电流激活晶粒表面，击穿空隙内残留空气，局部放电，产生等离子体，同时会瞬间产生局部高温，在晶粒表面引起蒸发和融化，并在晶粒接触点形成颈部，从而促进材料的烧结，是一种新型快速烧结方法。这种制备工艺与传统的粉末冶金相比，它融等离子活化、热压为一体具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、致密度高、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点，目前广泛用于金属材料、陶瓷材料、金属间化合物、硬质合金、梯度功能材料和磁性材料等一系列新型材料的制备。

为改善ODS铁素体高温合金的冷加工性能，提高其抗氧化性能和氧化物颗粒的弥散均匀性，本发明的发明人研究发现，通过使用溶胶-凝胶法制备前驱体，结合机械合金化法制备合金粉体，再通过放电等离子烧结制备出含铝抗氧化性能强、氧化物颗粒弥散均匀的ODS铁素体钢，从而完成了本发明，目前相关结果未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢，其相对于传统的机械合金化方法，具有氧化物颗粒细小、成分分散均匀和抗氧化性强等特点。

本发明的另一目的是提供一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢的制备方法。

为实现以上本发明的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种含铝氧化物弥散强化(Al-ODS)铁素体钢，按重量百分比，其组份的化学式为：Fe-(14～17)Cr-(3～6)Al-(2.5～3)W-(＜1)Ti-(0.1～0.5)Y₂O₃。

优选地，所述Al-ODS铁素体钢组份的化学式为Fe-16Cr-5Al-3W-0.2Ti-0.4Y₂O₃，其中，所述含铝氧化物弥散强化铁素体钢粉体颗粒尺寸为1-5μm，氧化物晶粒尺寸为10-30nm。

制备前述的含铝氧化物弥散强化铁素体钢的方法，包括下述步骤：