[发明专利]纳米β′相和纳米氧化物复合强化铁基ODS合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属弥散强化技术领域，特别提供了一种采用机械合金化工艺制备由纳米金属间化合物（β?相）和纳米氧化物复合强化铁基ODS（Oxide Dispersion Strengthening）合金的方法。

背景技术

铁基ODS合金具有优异的高温蠕变性能、高温抗氧化和耐腐蚀性能，以及优异的抗辐照性能。它不仅是第四代核聚变反应堆的第一壁包壳管、包层及其它高温结构件的候选材料，而且在航空航天飞机的热防护结构和发动机热端部件、以及先进燃气轮机的高温部件等领域都具有重要的应用前景。

纳米析出强化是新型铁基ODS合金最有前途的强韧化机制之一。纳米析出相的强化效果主要取决于析出相的粒径、数量、分布状态、界面结构和稳定性。纳米氧化物具有优异的热稳定性和化学稳定性，在接近合金熔点的温度下，纳米氧化物仍然能对位错的运动起到阻碍作用，是ODS合金中最重要的强化相。纳米金属间化合物（β?相）也是铁基合金中的一种有效强化相。β′相（(Ni,Fe)Al）是一种长程有序B₂结构（CsCl型）的金属间化合物，其熔点高达1638℃，具有较高的强度和硬度。同时，β?相与铁素体基体（β）的晶格常数非常接近，晶格错配仅为0.06%，这使β?相与β基体之间容易形成共格取向关系，这为β?相的均匀形核和弥散状析出创造了条件。Bradley早在20世纪60年代就发现Fe-Al-Ni系中不混溶间隙的存在，当合金被过冷到液相不混溶间隙内时，合金熔体将发生相分离，析出近球形β'相。但是，传统β'相强化铁基合金中β'相的稳定性较低，合金在高温度下（>600℃）的蠕变性能较低。为了解决上述问题，美国、德国和日本近年来开展了深入研究，通过添加Mo元素、降低Al元素添加量、以及优化热处理工艺等措施提高了β'相的稳定性和强化效果。这就为β?相强化机制在铁基合金中的应用奠定了基础。

在传统铁基ODS合金中，氧化物弥散相以外部添加Y₂O₃颗粒的形式引入，由于Y₂O₃颗粒非常稳定，所以需要很高的能量和较长的球磨时间才能使之分解，容易由于粉末团聚而残留未分解的粗大Y₂O₃颗粒，存在氧化物颗粒分布不均匀，粒径粗大和界面结构不可控等问题，这在很大程度上限制了氧化物强化强化效果的发挥和高温力学性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用机械合金化工艺制备由纳米β′相和纳米氧化物复合强化的铁基ODS合金。该方法能够将两种纳米析出相的强化效果进行叠加，两种析出相的粒径都非常细小，而且分布均匀，强化作用显著，并且能够实现弥散相的高效引入。

本发明的原理是：为了引入β?相，添加了合金元素Ni、Al，在高能球磨过程中合金元素均匀分布在基体中形成过饱和固溶体，在烧结致密化过程中β?相析出，并通过热处理工艺控制β?相的成分、粒径和粒径分布。为了高效引入氧化物弥散相，添加了Fe₂O₃、YH₂和Ti，通过机械化学反应法（YH₂+Fe₂O₃+Ti→Fe+Y₂Ti₂O₇+H₂）原位形成纳米复合氧化物，并利用Ti元素来细化氧化物和控制界面结构。纳米β?相和纳米氧化物复合强化铁基ODS合金的制备工艺流程如图1所示，具体工艺步骤为：

1、机械合金化：复合强化铁基ODS合金的成分为：8~15wt% Cr、10~20wt% Ni、3~12wt% Al、2~3.5wt% Mo、0.3~1wt% Ti、0.21~0.71wt% Fe₂O₃、0.24~0.81wt% YH₂和余量Fe。其中，基体元素为Fe、Cr和Mo，β′相形成元素为Ni、Al，氧化物形成组元为Fe₂O₃、YH₂和Ti。首先按照合金成分配比进行称量，并在混合粉末中另外添加0.3~0.5wt.%硬脂酸作为过程控制剂，以避免高能球磨过程中粉末结块。将上述粉末预混合均匀后在高纯氩气或氢气气氛中（99.999%）进行高能球磨，球磨机转速为340~500转/分，球磨时间为36-72小时，得到机械合金化粉末。