[发明专利]一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法

说明书

本发明公开了一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法，属于金属材料制备领域。该装置包括工作台、结晶器、升降单元、旋转单元和布流器；所述结晶器上端开口并设置在工作台的下方，所述升降单元用于升降结晶器，所述旋转单元用于转动结晶器；所述布流器安装在工作台上且上下开口，其具有多个，位于结晶器的上方并沿结晶器的周向布置；所述布流器的下端开口装有阀门。该方法采用上述装置，通过两种熔体交替形成凝固层，以及多层熔体层铺的方式，在制备大体积ODS钢时，能够大大提升钢中纳米氧化物的密度，且制备过程稳定，制备出的ODS钢的性能均匀，有效地增加了ODS钢的生产效率。

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法。

背景技术

氧化物弥散强化钢，简称ODS钢，是一种具有优异的高温蠕变性能和抗辐照性能的金属材料。ODS钢中存在大量弥散分布的氧化物强化相，其通过大量纳米尺寸的氧化物弥散强化相钉扎基体中的位错和晶界来阻碍位错的滑移，从而起到强化的作用。另外，这些强化相具有优异的高温稳定性，可以在大量的离子及中子辐照环境下长期保持较高的性能。因此，鉴于其优异的力学性能、高温稳定性及抗辐照性能，ODS钢成为了第四代核反应堆和聚变堆第一壁的理想包壳材料。

传统的ODS钢主要通过粉末冶金的方法制备。该方法首先将纳米尺寸的强化相(一般为Y₂O₃)粉末加入到合金粉末中，在球磨机中进行机械合金化球磨处理，使Y₂O₃固溶到合金基体中。接着随着球磨的进行，合金粉末逐渐发生团聚，团聚的粉末颗粒随球磨时间的延长而逐渐细化并转变为尺寸约十几微米的等轴晶粒，此时合金粉末之间达到了冷焊-断裂的动态平衡。最后，球磨后的合金粉体需要通过热挤压或热等静压方法进行热固化成型。然而，这种机械合金化的方法存在一些缺点，如球磨时间过长，生产效率低，容易引入杂质，预合金粉末在较长时间的球磨下会发生一定程度的氧化，并且所添加的元素含量也存在一定的限制。

目前一般采用熔炼方法制备ODS钢，熔炼方法主要为直接熔炼法和氧载体法。

其中，直接熔炼法是通过将Y₂O₃颗粒直接添加到熔炼钢液中而实现ODS钢的制备。中国科学院固体物理研究所的韩福生研究员团队采用直接铸造技术制备了微米Y₂O₃强化T91钢和另一种9Cr低活化钢(9Cr-1.5W-0.21V-0.15Ta-0.45Mn-0.1C)。直接铸造法工艺简单，成本低廉，但是由于稀土氧化物与钢液地润湿性极差，在熔炼过程中容易产生团聚，且目前直接熔炼法制备的ODS钢中稀土氧化物多以微米级尺寸析出，暂不能满足氧化物弥散强化钢对于稀土氧化物尺寸的纳米级标准。

氧载体方法技术是通过添加热稳定性低于Y₂O₃或者熔点低于Y₂O₃的其他氧化物到钢液中充当氧源并改善氧化物与钢液的润湿性而最终实现ODS钢的制备。目前据文献报导地氧载体主要为Fe₂O₃和TiO₂。伊朗德黑兰大学的Mahmoud Nili-Ahmadabadi团队选择TiO₂作为氧载体，通过真空铸造的方式制备了ODS钢。氧载体铸造法很好地解决了润湿性问题，为熔炼法制备ODS钢引出新思路，成功将稀土氧化物通过熔炼法引入基体，但是该方法并不适用于ODS钢的规模化制备，其制备出的大体积的ODS钢性能往往达不到。