一種氧化物彌散強化鐵素體/馬氏體鋼及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到第四代核反應堆第一壁關鍵結構材料的制備技術領域，特別涉及了一種具有優(yōu)異高溫強度和良好抗腐蝕氧化能力的含鋁氧化物彌散強化鐵素體/馬氏體鋼及其制備方法。
【背景技術】
[0002]社會發(fā)展對能源不斷增長的需求和降低對化石燃料依賴之間的矛盾，使得先進的核能系統(tǒng)引起了越來越多的關注。先進的核能系統(tǒng)需要結構材料具備包括高溫強度、抗輻照、抗腐蝕等多方面的優(yōu)異性能，鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼因為具有較高的蠕變強度和優(yōu)異的抗輻照能力被作為先進核能系統(tǒng)的候選材料之一。
[0003]對于鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，制約其發(fā)展的一大問題就是抗腐蝕能力相對較差。通常方法增加Cr含量改善其抗氧化性能，增加鉻含量可以提高抗氧化性，但是材料在長期服役的環(huán)境中出現(xiàn)鉻元素的富集區(qū)，嚴重惡化材料的力學性能。
[0004]鋁的雖然能提高強度，并且抑制富集區(qū)的產(chǎn)生，但是加入鋁會影響彌散粒子的種類，由于Al和Y/0的結合能比Ti和Y/0的結合能更低，會在Ti之前優(yōu)先與Y/0結合，形成Y-Al-O納米析出相，考慮納米粒子的尺寸和數(shù)量密度，對材料性能的至關重要的影響，加之現(xiàn)有結果中Y-Al-O的析出相普遍大于Y-T1-O粒子的現(xiàn)象，為了改變此中問題，專利[201410218467.3]采用直接加入Y-T1-O的粒子(Y2Ti2O7或Y 2Ti05)的方法，但是這種方法，很難控制納米粒子與基體之間的界面，對塑形會有一定的減弱。
[0005]熱等靜壓(hot isostatic pressing，簡稱HIP)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術，加熱溫度通常在1000~2000°C之間。對于粉末樣品，其使用包套對其密封封裝是積極重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在通常使用的是金屬包套，但是其制備和封裝過程要求相對較高，并且由于焊接封口過程中產(chǎn)生的大量熱量，對包套中的樣品產(chǎn)生相變問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的第一目的在于提供一種具有優(yōu)異高溫強度和抗氧化性能的納米結構的氧化物彌散強化鋼的成分設計和高效的制備方法。
[0007]本發(fā)明的第二目的在于提供一種具有優(yōu)異高溫強度和抗氧化性能的納米結構的氧化物彌散強化鋼。
[0008]本發(fā)明的第三目的在于提供一種具有優(yōu)異高溫強度和抗氧化性能的納米結構的氧化物彌散強化鋼在第四代核反應堆包殼材料及聚變堆第一壁材料上的應用。
[0009]為了實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，采用的技術方案為:(1)成分為(8_10)%Cr，(0.5-2) %ff, (1.5-5.5)%A1, (0.1-0.4)%V, (0.1_0.5)Μη，(0-1.0)%Zr, (0-1.0)%Hf,(0.25-0.5)%Y203，純度均為99.9%，C、N含量小于0.1%，其余為Fe，以上均為質(zhì)量百分數(shù)，且至少含有Hf、Zr的一種；
(2)將除Y203、Zr、Hf、Al等之外的全部元素按照步驟(I)中的質(zhì)量百分數(shù)采用Ar氣霧化法制備合金粉，氧含量控制在0.05wt.%以下，并篩選粒度為50-200目的粒子作為機械合金化的備用粉；
(3)將上述機械合金化的備用粉與步驟(I)中的Y203、Zr、Hf、Al在手操箱中全程Ar氣保護下裝球磨罐，機械合金化參數(shù)為:球料比，即球磨介質(zhì)與物料的質(zhì)量比為6-8:1，球磨介質(zhì)為不銹鋼球，轉(zhuǎn)速設定為280-400r/min，按照球磨1_4小時冷卻I小時的方式進行多次球磨，球磨時間為25-60h，得到機械合金化粉末；
(4)采用熱等靜壓工藝進行燒結，采用硅酸鹽玻璃包套壓制成型，從850°C開始逐漸加壓，燒結制度為先升溫至850-950°C保溫I小時，再升溫至1050-1150°C保溫I小時，燒結壓力為 120-180MPa，制得具有納米彌散相為 YAH(YAlO3), YAP (YAlO3), YAM(Al2Y4O9),YAG(Y3Al5O12)，Y2Hf2O7, Y4Zr3O12*的一種或幾種的具有優(yōu)異高溫強度和抗氧化性能的含鋁氧化物彌散強化鐵素體/馬氏體鋼。
[0010]作為優(yōu)選地，霧化粉的氧含量控制在0.03wt.%以下，并篩選粒度為100目的粒子作為機械合金化的備用粉。
[0011]作為優(yōu)選地，機械合金化參數(shù)為:球料比:7:1，球磨介質(zhì)為不銹鋼球，轉(zhuǎn)速設定為300r/min，球磨2小時冷卻I小時，球磨時間為40h，得到機械合金化粉末，所述的機械合金化粉末平均粒徑為156-183 μ m。
[0012]作為優(yōu)選地，采用硅酸鹽玻璃包套壓制成型，壓力從850°C開始逐漸加壓，燒結制度為850°C保溫I小時，IlOO0C保溫I小時，燒結壓力為180MPa。
[0013]作為優(yōu)選地，成分為9%Cr，1.6%ff, 4.5%A1，0.2%V, 0.15Mn，0.6%Zr, 0.35%Y203，其余為Fe。
_ 4] 根據(jù)元素含量的不同，彌散相為YAH (YAlO3)，YAP (YAlO3)，YAM (Al2Y4O9)，YAG(Y3Al5O12)，Y2Hf2O7, Y4Zr3O1^的一種或幾種，如圖3。所述的彌散強化鋼在700°C的抗拉強度為250-320MPa，延伸率為18%_32%。所述的彌散強化鋼在保證高溫強度和塑性的前提下，氧化性能也得到了大幅度的提高，在850°C經(jīng)過10h氧化后，氧化增重僅為0.0327-0.098mg/cm3。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
(I)對鐵素體/馬氏體鋼的成分進行優(yōu)化，增強抗腐蝕能力，并且利用更易和Y/0結合的元素Hf、Zr，形成高密度均勻細小的彌散相，另外通過改善燒結工藝，使彌散粒子更傾向形核，并減少長大的可能性；采用本發(fā)明所述的球磨參數(shù)既可以避免粉末在球磨過程中發(fā)生相變或者再結晶，使元素更均勻地固溶到基體中，又能保證粉末的粒度保持在一定的范圍內(nèi)(90-200 μ m)，從而降低含氧量，保證材料蠕變強度。
[0016](2)熱等靜壓過程中，采用硅酸鹽玻璃包套壓制成型，其軟化溫度約為830°C，壓力從850°C開始逐漸加壓，考慮到玻璃包套的成本較低以及易于密封，既節(jié)約成分和提高效率，又能快速的實現(xiàn)多種尺度樣品的燒結。其中為保證包套的使用和樣品的性能，燒結制度為850-950°C保溫I小時，1050-1150°C保溫I小時，燒結壓力為120_180MPa，最后樣品中得到小尺寸高密度的彌散粒子。
[0017](3 )本發(fā)明制備的彌散強化鋼在700 0C的抗拉強度為250_320MPa，延伸率為18%-32%，在保證高溫強度和塑性的前提下，氧化性能也得到了大幅度的提高，在850°C經(jīng)過10h氧化后，氧化增重僅為0.0327-0.098mg/cm3。
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1經(jīng)過機械合金化后的粉末；
圖2為實施例3彌散相在基體的分布情況；
圖3為實施例1所得彌散強化剛的拉伸結果。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
(1)準備8.5%Cr, 1.2%ff,0.2%V,0.2%Mn,3.5%Α1、0.5%Zr、0.35%Y203以上原料純度均為99.9%，C、N含量小于0.1%，其余為Fe，以上均為質(zhì)量百分數(shù)；
(2)將除Υ203、Zr、Al等之外的全部元素按照步驟(I)中的質(zhì)量百分數(shù)采用Ar氣霧化法制備合金粉，氧含量控制在0.04wt.%以下，并篩選粒度為50-200目的粒子作為機械合金化的備用粉；
(3)將上述機械合金化的備用粉與步驟(I)中的Y203、Zr、Al在手操箱中全程Ar氣保護下裝球磨罐，機械合金化參數(shù)為:球料比為6:1，球磨介質(zhì)為不銹鋼球，轉(zhuǎn)速為300r/min，按照球磨4小時冷卻I小時的方式進行多次球磨，球磨時間為60h，得到平均粒度為183 μ m的機械合金化粉末；
(4)采用熱等靜壓工藝進行燒結，采用硅酸鹽玻璃包套壓制成型，從850°C開始逐漸加壓，燒結制度為先升溫至850°C保溫I小時，再升溫至1150°C保溫I小時，燒結壓力為140MPa，制得含鋁氧化物彌散強化鐵素體/馬氏體鋼，彌散