專利名稱：一種用化學(xué)浸潤法制造氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用化學(xué)浸潤法制造氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金的方法，適用于核能領(lǐng)域快中子增殖反應(yīng)堆燃料包殼。
背景技術(shù)：
通常是采用機(jī)械合金化(MAMechanical Alloying)方法制造氧化物彌散強(qiáng)化型合金(ODSOxide Dispersion Strengthened)，但此方法在擠壓態(tài)和未完全再結(jié)晶退火狀態(tài)下，其組織和性能上的各向異性不僅受拉應(yīng)力的高溫蠕變條件下表現(xiàn)十分顯著，而且在受壓應(yīng)力的室溫條件下表現(xiàn)依然十分顯著，造成合金在垂直于擠壓方向的冷變形能力極差，這是管材在通常的1100℃-1200℃退火后冷軋過程中易沿?cái)D壓和軋向開裂的重要原因，所以，為從根本上改善ODS合金冷加工性能，降低擠壓管坯的退火再結(jié)晶溫度(達(dá)1300℃)，使合金管材的冷加工在實(shí)際工藝制造過程中切實(shí)可行，研究開發(fā)制造ODS管材合金新的工藝技術(shù)是十分必要的。
改進(jìn)ODS合金的各向異性的關(guān)鍵在于改善彌散強(qiáng)化相Y2O3的彌散度和含量，在保證氧化物Y2O3的彌散度前提下，獲得適宜尺寸的等軸晶和低再結(jié)晶溫度的各向同性的高溫強(qiáng)度優(yōu)良的合金，是一項(xiàng)具有重要理論和實(shí)踐意義的課題，為此研究和開發(fā)出一種新的制造ODS合金的方法(CSMChemical Soaking Method)，從根本上解決了ODS合金的各向異性和退火再結(jié)晶溫度高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用化學(xué)浸潤法制造氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型ODS合金的方法，解決了用機(jī)械合金化法，無法解決的冷加工各向異性和高的再結(jié)晶退火溫度問題。并通過科學(xué)試驗(yàn)和強(qiáng)化原理分析，得出一套完整制造ODS合金的工藝制度和參數(shù)。
本方法所以稱化學(xué)浸潤法 原因在于先用Y(NO3)3·6H2O溶液“浸潤”粉末，然后再加熱使其發(fā)生“化學(xué)”分解而得到彌散強(qiáng)化相Y2O3。
本發(fā)明制造ODS合金工藝要點(diǎn)及流程真空熔煉母合金→氬氣霧化制粉→篩分→Y(NO3)3·6H2O溶液浸潤粉末→干燥→氫氣保護(hù)下熱分解處理→裝入包套、真空封焊→熱等靜壓致密化→鍛造成型→固溶熱處理。具體工藝如下采用真空感應(yīng)爐煉制母合金制成預(yù)合金粉末，并篩分成粒度為50-150μm細(xì)粉，浸潤溶液為Y(NO3)3·6H2O，在室溫下，浸潤時(shí)間為3-6小時(shí)，并且每隔30～35分鐘進(jìn)行攪拌，均勻浸潤；進(jìn)行浸潤時(shí)，Y(NO3)3·6H2O的溶液量應(yīng)滿足使之分解出的Y2O3占合金總重量的0.2～0.5％，確保強(qiáng)化效果。干燥后將浸潤態(tài)的粉末在氫氣保護(hù)下于300～500℃，1.5～2.5小時(shí)保溫進(jìn)行化學(xué)熱分解處理，獲得含有Y2O3氧化物分解態(tài)預(yù)合金粉末，裝入包套、真空封焊；包套所用材為低碳鋼或不銹鋼。再在100～120MPa的氬氣氛中，于1100～1200℃熱等靜壓2～4小時(shí)后空冷，使合金致密度達(dá)到96-98％以上，才能實(shí)行熱鍛造變形加工處理；將包套層去除，將熱等靜壓坯料在1150℃～850℃進(jìn)行鍛造和固溶處理，制得合格的氧化物彌散強(qiáng)化合金；固溶處理的溫度為1100～1200，保溫時(shí)間為1～2小時(shí)，然后空冷。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)容易獲得強(qiáng)化相Y2O3合理彌散度，大(300～500nm)、中(50～100nm)、小(20～50nm)尺寸體積百分?jǐn)?shù)分別為0.24％、0.28％和0.15％的強(qiáng)化相合理匹配的彌散氧化物，容易通過“浸潤分解機(jī)制”“分解析出機(jī)制”和“機(jī)械分散機(jī)制”綜合實(shí)現(xiàn)氧化物強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化機(jī)理。因此，本方法制造的ODS合金與機(jī)械合金化(MA)法相比，合金退火再結(jié)晶溫度低，60～80％冷軋薄板退火后晶粒尺寸均勻，無明顯各向異性組織，具有優(yōu)良的室溫和中溫拉伸性能。具有優(yōu)良抗輻照(e-/He+)腫脹能力，673K，10dpa，ΔV/V＝0.067-0.1％，在實(shí)際工程生產(chǎn)上可大幅度降低成本30％和提高冷加工成品率80％。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用CSM法實(shí)際生產(chǎn)Fe-11.5Cr-1.5W-0.4Ti-0.35Y2O3合金。
將純Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感應(yīng)爐(50Kg)熔煉成合格母合金，采用氮?dú)忪F化裝置制備母合金粉末，篩分后取直徑＜50～150μm細(xì)粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸潤預(yù)合金粉末，室溫下放置4小時(shí)，干燥成為浸潤態(tài)粉末，將浸潤態(tài)粉末在氫氣保護(hù)下于400℃保溫1.5小時(shí)，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.3％)，將分解態(tài)粉末裝入直徑為82mm的低碳鋼包套中，抽真空后焊封，再在105Mpa的氬氣中于1100～1250℃熱等靜壓2～4小時(shí)后空冷，將包套層剝?nèi)ズ蟮玫街睆綖?5mm的熱等靜壓態(tài)合金，將此合金在1150℃-850℃鍛造成Φ25mm長棒，在1150℃固溶1.5小時(shí)空冷，測定合金室溫和高溫(550℃)拉伸性能和進(jìn)行夏氏沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如下室溫拉伸強(qiáng)度σ0.2＝580Mpa，σb＝950Mpa，δ％＝14.5％；550℃拉伸強(qiáng)度σ0.2＝500Mpa，σb＝940Mpa，δ％＝12.1％；-25℃沖擊功16J，DBTT＝-25℃。退火再結(jié)晶溫度760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再結(jié)晶溫度1300℃低500℃，60～80％冷軋板退火后晶粒尺寸均勻約10μm(ASTM9～10級)。
實(shí)施例2采用CSM法實(shí)際生產(chǎn)Fe-12Cr-2W-0.45Ti-0.4Y2O3合金。
將純Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感應(yīng)爐(50Kg)熔煉成合格母合金，采用氮?dú)忪F化裝置制備母合金粉末，篩分后取直徑＜50～150μm細(xì)粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸潤預(yù)合金粉末，室溫下放置4.5小時(shí)，干燥成為浸潤態(tài)粉末，將浸潤態(tài)粉末在氫氣保護(hù)下于450℃保溫2小時(shí)，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.4％)，將分解態(tài)粉末裝入直徑為82mm的低碳鋼包套中，抽真空后焊封，再在100Mpa的氬氣中于1100～1250℃熱等靜壓3小時(shí)后空冷，將包套層剝?nèi)ズ蟮玫街睆綖?5.5mm的熱等靜壓態(tài)合金，將此合金在1150℃-850℃鍛造成Φ25mm長棒，在1100℃固溶2小時(shí)空冷，測定合金室溫和高溫(550℃)拉伸性能和進(jìn)行夏氏沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如下室溫拉伸強(qiáng)度σ0.2＝582Mpa，σb＝970Mpa，δ％＝14％；550℃拉伸強(qiáng)度σ0.2＝525Mpa，σb＝920Mpa，δ％＝13％；-25℃沖擊功17J，DBTT＝-25.8℃。退火再結(jié)晶溫度760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再結(jié)晶溫度1300℃低500℃，60～80％冷軋板退火后晶粒尺寸均勻約10μm(ASTM9～10級)。
實(shí)施例3采用CSM法實(shí)際生產(chǎn)Fe-12.5Cr-2.5W-0.5Ti-0.45Y2O3合金。
將純Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感應(yīng)爐(50Kg)熔煉成合格母合金，采用氮?dú)忪F化裝置制備母合金粉末，篩分后取直徑＜50～150μm細(xì)粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸潤預(yù)合金粉末，室溫下放置4.5小時(shí)，干燥成為浸潤態(tài)粉末，將浸潤態(tài)粉末在氫氣保護(hù)下于450℃保溫2.5小時(shí)，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.50％)，將分解態(tài)粉末裝入直徑為82mm的低碳鋼包套中，抽真空后焊封，再在110Mpa的氬氣中于1100～1250℃熱等靜壓2～4小時(shí)后空冷，將包套層剝?nèi)ズ蟮玫街睆綖?5.8mm的熱等靜壓態(tài)合金，將此合金在1150℃-850℃鍛造成Φ25mm長棒，在1250℃固溶1.5小時(shí)空冷，測定合金室溫和高溫(550℃)拉伸性能和進(jìn)行夏氏沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如下室溫拉伸強(qiáng)度σ0.2＝590Mpa，σb＝970Mpa，δ％＝14％；550℃拉伸強(qiáng)度σ0.2＝540Mpa，σb＝935Mpa，δ％＝12％；-25℃沖擊功17.5J，DBTT＝-25.4℃。退火再結(jié)晶溫度760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再結(jié)晶溫度1300℃低500℃，60～80％冷軋板退火后晶粒尺寸均勻約10μm(ASTM9～10級)。
權(quán)利要求
1.一種用化學(xué)浸潤法制造氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金的方法，其特征在于采用真空感應(yīng)爐煉制母合金制成預(yù)合金粉末，并篩分成粒度為50-150μm細(xì)粉，浸潤溶液為Y(NO3)3·6H2O，在室溫下，浸潤時(shí)間為3-6小時(shí)，并且每隔30～35分鐘進(jìn)行攪拌，均勻浸潤；進(jìn)行浸潤時(shí)，Y(NO3)3·6H2O的溶液量應(yīng)滿足使之分解出的Y2O3占合金總重量的0.2～0.5％，確保強(qiáng)化效果；干燥后將浸潤態(tài)的粉末在氫氣保護(hù)下于300～500℃，1.5～2.5小時(shí)保溫進(jìn)行化學(xué)熱分解處理，獲得含有Y2O3氧化物分解態(tài)預(yù)合金粉末，裝入包套、真空封焊；再在100～120MPa的氬氣氛中，于1100～1200℃熱等靜壓2～4小時(shí)后空冷，使合金致密度達(dá)到96-98％以上，才能實(shí)行熱鍛造變形加工處理；將包套層去除，將熱等靜壓坯料在1150℃～850℃進(jìn)行鍛造和固溶處理；制得合格的氧化物彌散強(qiáng)化合金。
2.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于a.進(jìn)行浸潤時(shí)，Y(NO3)3·6H2O的溶液量應(yīng)滿足使之分解出的Y2O3占合金總重量的0.2～0.5％，確保強(qiáng)化效果；b.固溶處理的溫度為1100～1200，保溫時(shí)間為1～2小時(shí)，然后空冷；c.分解態(tài)粉末裝入包套用材為低碳鋼或不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用化學(xué)浸潤法制造氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金的方法，屬于氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體型合金材料技術(shù)領(lǐng)域，適用于核能領(lǐng)域快中子增殖反應(yīng)堆燃料包殼。本方法是把母合金粉末放置于Y(NO
文檔編號C22C33/02GK1664145SQ20051006310
公開日2005年9月7日 申請日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者胡本芙, 彭順米, 吳承建, 章守華 申請人:北京科技大學(xué)