[发明专利]一种碳纳米管包覆氧化物弥散强化钢复合粉体的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纳米管包覆氧化物弥散强化钢复合粉体的制备方法，所述制备方法包括：将氧化物弥散强化钢粉体加入到流化床中并排除空气，之后加热至设定温度并通入碳源前驱体和保护气组成的混合气，达到预设反应时间后，停止通入所述碳源前驱体，仅通所述保护气将残留的碳源前驱体排除，之后进行冷却，得到所述碳纳米管包覆氧化物弥散强化钢复合粉体。本发明提供的制备方法，通过采用特定的原料和重新设计的制备工艺，实现了核壳结构的复合粉体，该制备方法具有工艺简单、生产流程短、成本低、产业化前景良好等优点。

技术领域

本发明涉及核反应堆包壳材料领域，涉及一种碳纳米管包覆氧化物弥散强化钢粉体的制备方法。

背景技术

超临界水堆是基于水冷反应堆技术和超临界火电技术发展起来的第四代反应堆，具有高的安全性、经济性、延续性等优势，已成为我国核电技术未来发展的关键候选堆型。然而，超临界水堆需要运行在高压(＞25MPa)、高温(＞500℃)以及强烈中子辐照环境下，这种极端的运行条件导致常规压水堆的包壳管材料在高温力学性能与抗腐蚀性能方面无法满足超临界水堆包壳管材料要求，因此，材料选择问题已成为制约着超临界水堆发展面临的主要障碍。

相比于其他核反应堆包壳管传统结构材料，例如奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体不锈钢、镍基合金而言，氧化物弥散强化钢由于在高温条件下具有优异的抗蠕变强度和抵抗中子辐照性能而成为超临界水堆的重要候选结构材料。然而，经过多年来的发展，氧化物弥散强化钢的力学性能仍然没有达到纳米氧化物增强相同等当量的理论强度，在添加量达到1％以上时，其室温强度也仅比商用不锈钢提高不到300MPa。其主要原因是通过粉末冶金技术制备的氧化物弥散强化钢组织呈现晶粒尺寸双峰分布特征，其中细小晶粒由于烧结过程中，纳米氧化物颗粒钉扎晶界而抑制了晶粒长大，因此，细小晶粒内部和晶界弥散分布着大量第二相颗粒；然而，大尺寸晶粒的内部和晶界上分布的纳米氧化物颗粒数密度很低，其钉扎强化作用很弱，这也直接造成了氧化物弥散强化钢的组织和性能存在不均匀性，导致其服役性能无法达到预期效果。

虽然现有技术中机械球磨混合技术是在金属基体中引入CNT的最常用技术，如CN101550523A公开了一种镍三铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，由镍铝金属间化合物与镀镍碳纳米管组成；其中：所述复合材料的组分以重量百分比计：镀镍碳纳米管为2％-9％，余量为镍三铝金属间化合物。所述复合材料是利用机械合金化法制备Ni₃Al纳米粉体，采用化学镀镍在碳纳米管表面镀镍，机械球磨法合成Ni₃Al-碳纳米管复合粉体，复合粉体经过冷压预成型，然后再热压烧结制得。制得的复合材料具有较高的压缩强度和断裂韧性，并具有良好的耐腐蚀性，可应用于航空发动机涡轮叶片，并在原子能工业、催化工业以及电子工艺等领域也有潜在的应用前景。

CN108754205A公开了一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，能解决目前碳纳米管在金属基复合材料制备过程中容易团聚、密度小、不易混入金属熔体的问题。本发明方法为：将一定配比的同种球形金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中进行球磨法混合，球形金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形金属粉末。将得到的表面粘结有碳纳米管的金属粉末加入金属熔体中，在添加过程中对金属熔体进行轻微搅拌。同种球形金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀且弥散分布于金属熔体中，制备出碳纳米管在金属基体中均匀分布的增强金属基复合材料，整个制备过程操作简单、高效、便捷。然而，在球磨介质的辅助下使物性差异大的各组分充分混合，为了克服范德华力导致的CNT团聚问题，往往需要高能量输入，破坏了CNT的组织成分和结构完整性，损害了CNT的高温稳定性，使CNT-氧化物弥散强化钢混合粉体在烧结过程中，Fe、Ni、Ti等合金化元素与CNT反应而无法在氧化物弥散强化钢中保留CNT。此外，球磨过程中往往会引入大量氧、氮等杂质导致两相界面非常脆弱，损害氧化物弥散强化钢的组织稳定性与服役性能。

发明内容