纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法技术

本发明专利技术提供了一种纳米复合氧化物强化Fe基合金的制备方法，具体步骤为：第一步，依据合金组分熔炼含Y合金母锭，氩气雾化制粉获得含有活泼元素的铁基合金粉末；第二步，含Y铁基合金粉末在高真空、高温气氛下进行热处理完成活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出；第四步，调节热等静压或热挤压的致密化条件，实现粉体到合金的转化过程。该方法工艺过程相对简单、能有效控制氧浓度、弥散效果好，制备的Fe基合金具有组织均匀、氧化物纳米团簇弥散分布和力学强度高等特点。

【技术实现步骤摘要】
纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法
本专利技术涉及氧化物弥散强化合金的制备技术，具体的说是提供一种降低成本、可批量生产、实现纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的新型氧化制备方法。
技术介绍
纳米氧化物弥散强化(Oxidedispersionstrengthen,ODS)铁素体合金由于具有优异的抗蠕变性能和耐辐照性能，在极端服役工况下具有良好的结构和化学稳定性，被认为是最具有发展前景的核包壳结构材料。Al添加的高铬ODS铁素体(ODS-FeCrAl)合金不仅是第四代先进反应堆最有希望的包壳候选材料，而且还是事故容错燃料研发项目中重点开发的理想包壳材料。ODS-FeCrAl或FeCr合金优异的宏观性能与弥散分布于基体的复合氧化物纳米粒子(Y-Al-O或Y-Ti-O)密切相关：弥散析出的高密度纳米复合氧化物在高温服役过程中有效阻碍位错和晶界的运动，从而提高合金的高温强度和抗蠕变性能；弥散析出的高密度纳米复合氧化物在正常工况条件下有效俘获中子辐照所产生的空位、间隙和氦泡，使其弥散分布在氧化物粒子周围而不在合金中形成较大的空洞和较大的氦泡，抑制合金的时效脆性和氦脆，从而提高合金的抗辐照损伤和抗肿胀性能。弥散氧化物析出需要适宜的氧含量、形核点和驱动力，因此制备过程中氧原子或离子的存在形式、浓度范围和分布状态都是影响ODS-Fe基合金纳米复合氧化物弥散析出及其综合性能的重要参数。目前来说，合金中纳米氧化物弥散相主要采用机械合金化方法引入，即雾化母合金粉或单质元素粉与纳米Y2O3粉末混合后通过高能球磨机球磨合成。机械合金化具有工艺条件简单、易操作、常温下容易实现等优点，适合于实验合成，但在百十公斤或吨位大批次生产时机械合金化法的弱点比较明显，需要数十甚至数百小时的球磨时间；而且氧含量无法控制，导致后续合金致密化工艺中复合氧化物弥散相长大而成为亚微米级颗粒；同时球磨过程中无法避免污染，批次成品性能之间存在差异，从而影响ODS合金在使用中的实际寿命，因此非常有必要开展ODS-Fe基合金新型制备方法的研究。已知的其他制备方法包括化学浸润法、共沉淀法、内氧化法等，其中化学浸润法和共沉淀法适合实验室制备，并且致密化后得到的氧化物主要为Y2O3颗粒，而非复合氧化物Y-Al-O或Y-Ti-O强化颗粒。传统的内氧化法是将含有活性合金元素和惰性基体元素的粉末在含氧气氛中加热，希望氧只与活性合金反应而不与惰性金属反应，实际上这个过程很难控制。美国爱荷华实验室Anderson(专利号：US8,864,870B1)利用喷雾加氧的方式对FeCr合金粉末充氧，热等静压后得到Y-Ti-O和Y-Hf-O弥散强化的ODS合金，但是这种制备方法对雾化制粉设备要求较高，并且雾化得到的粉末氧含量无法有效控制，最重要的一点是专利中特别说明该方法不适合于含Al的ODS铁基合金制备，这主要是因为在极高温度(1500～1800℃)、少量含氧(99～95vol.％Ar+1～5vol.％O2)喷雾条件下，FeCrAl合金粉的Al元素极容易氧化而在粉末表面快速形成致密Al2O3膜从而阻止氧的向内扩散。因此，为解决上述诸多制备方法面临的问题，本专利技术创造性地提出一种新的氧化方法制备ODS-FeCrAl和FeCr合金，利用简单的设备装置通过改变粉末热处理工艺顺序实现对合金粉末氧的扩散过程及氧含量的有效控制，从而调控纳米复合氧化物Y-Al-O和Y-Ti-O的弥散析出和强化，并实现ODS合金大批量生产的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工艺过程相对简单、能有效控制氧浓度、弥散效果好的纳米复合氧化物强化Fe基合金的制备方法，该方法采用新的氧化工艺处理含有Y、Al、Ti等易氧化元素的合金粉，来取代铁基合金粉与Y2O3长时间机械球磨从而制备过饱和固溶粉体的常规工艺。本专利技术涉及的技术方案如下：氧化法制备纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金，其特征在于：Fe基合金粉末成分(质量百分比)为：Cr9.0～20.0％，Al0.0～6.0％，Ti0.0～0.6％，W1.0～2.5％，V0.0～0.5％，Y0.1～1.0％，Zr0.0～0.5％，Mn0.0～0.6％，Si0.0～0.2％，其余为Fe。所述制备方法的具体工艺过程为：第一步，依据上述合金组分熔炼合金母锭(可采用50kg级别以上的真空感应炉熔炼)，氩气雾化制粉获得含有Y、Al、Ti等活泼元素的Fe基合金粉末；第二步，Fe基合金粉末在高真空、高温气氛下进行热处理完成Y、Ti等活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现Y2O3、Al2O3及TiO2等活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出；第四步，根据Y2O3、Al2O3及TiO2等活泼元素的氧化物含量调节热等静压或热挤压的致密化条件，实现粉体到合金的转化过程。本专利技术提出的氧化制备方法实现了氧与Y、Ti、Al等活泼元素的有效结合、氧含量的有效控制以及之后纳米复合氧化物的弥散析出，制备的氧化物弥散强化Fe基合金具有合金组织均匀，氧化物纳米团簇弥散分布和力学强度高等特点。其中，所述制备工艺第二步中热处理温度为600～1200℃，真空度高于10-2Pa，加热时间不低于1h。进一步优选的热处理温度为600～1150℃，真空度高于10-3Pa，加热时间随热处理温度增加而降低，但不高于4h。所述制备工艺第三步中氧化温度为250～500℃，氧气压力维持在10～100Pa，氧化时间根据粉体含氧量判定，不低于3h。进一步优选的氧化温度为300～500℃，氧气压力维持在10～50Pa，氧化时间不低于8h。为避免引入其他杂质，所用氧气纯度高于99.99％。所述制备工艺的第二步和第三步顺序不得颠倒。第二步的高温真空热处理实现了在抑制Al2O3生成的前提下，Y、Ti、Zr等活泼元素向粉末颗粒表面、粉末内部缺陷和晶界处迁移，这个过程是由Y、Ti、Zr元素特有的扩散特性所决定，活泼元素在粉末表面、缺陷和晶界处发生浓度偏聚，导致Y、Ti、Zr元素浓度增加而Fe、Cr等合金主体元素浓度降低，为后续工艺中Y、Ti等活泼元素与氧优先结合提供形核点；第三步的加氧处理是为了促进氧通过晶界或空隙向粉末内部扩散，根据氧化反应吉布斯自由能，Y、Al和Ti等合金元素极易氧化，而表面、空隙处浓度偏聚的Y、Ti元素为其与氧结合提供了便利条件，并为后续热等静压中纳米复合氧化物弥散强化相的析出提供微观环境。同时第三步的中温处理也是为了抑制Al2O3氧化物颗粒的生成和长大，按此步骤工艺制得的合金粉末表面其Y2O3、TiO2或Al2O3氧化物颗粒为纳米尺寸的氧化物。本专利技术所述纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金氧化制备方法，其特征在于：所述制备工艺中高温真空热处理和氧化处理的升温速度不得高于10℃/min，最好不高于5℃/min，防止和抑制快速升温过程中可能生成的致密性Al2O3薄膜，为氧化工艺中氧原子向合金粉末内部扩散提供扩散途径。本专利技术所述纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金氧化制备方法，其特征在于：所述制备工艺第四步中的热等静压或热挤压条件根据具体粉末氧含量决定，温度在1150～1300℃，施加压力为130～200MPa，保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法，其特征在于：Fe基合金粉末主要成分为质量百分比：Cr 9.0～20.0％，Al 0.0～6.0％，Ti 0.0～0.6％，W 1.0～2.5％，V 0.0～0.5％，Y 0.1～1.0％，Zr 0.0～0.5％，Mn 0.0～0.6％，Si 0.0～0.2％，其余为Fe；具体工艺过程为：第一步，依据上述合金组分熔炼合金母锭，氩气雾化制粉获得含有活泼元素的Fe基合金粉末；第二步，Fe基合金粉末在高温、高真空环境下进行热处理完成活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出；第四步，根据活泼元素的氧化物含量调节控制热等静压或热挤压致密化条件，实现粉体到合金的转化过程。

【技术特征摘要】
1.纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法，其特征在于：Fe基合金粉末主要成分为质量百分比：Cr9.0～20.0％，Al0.0～6.0％，Ti0.0～0.6％，W1.0～2.5％，V0.0～0.5％，Y0.1～1.0％，Zr0.0～0.5％，Mn0.0～0.6％，Si0.0～0.2％，其余为Fe；具体工艺过程为：第一步，依据上述合金组分熔炼合金母锭，氩气雾化制粉获得含有活泼元素的Fe基合金粉末；第二步，Fe基合金粉末在高温、高真空环境下进行热处理完成活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出；第四步，根据活泼元素的氧化物含量调节控制热等静压或热挤压致密化条件，实现粉体到合金的转化过程。2.根据权利要求1所述的纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法，其特征在于：工艺第二步中热处理温度为600～1200℃，真空度高于10-2Pa，加热时间不低于1h。3.根据权利要求2所述的纳米复合氧化物弥散强化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静，杨英，龚星，翟剑晗，吴飒建，熊良银，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，中广核研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21