一种氮化物强化ODS钢及其制备方法技术

本发明专利技术属于耐高温抗辐照金属材料领域，具体涉及一种氮化物强化ODS钢及其制备方法。按重量百分比计，其合金成分如下：C:≤0.03％，Si:≤0.5％，Mn:0.6～1.5％，Cr:8.0～15.0％，W:≤1.5％，Mo:≤1.5％，(W+Mo):1.0～1.5％，Nb:0.02～0.06％，Ta:0.05～0.15％，(Nb+Ta):0.10～0.15％，V:0.15～0.30％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，N:0.02～0.08％，Co:≤0.05％，Ni:≤0.01％，Al:

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物强化ODS钢及其制备方法
本专利技术属于耐高温抗辐照金属材料领域，具体涉及一种由纳米氮化物与纳米氧化物协同强化的铁素体/马氏体钢，以下简称为氮化物强化ODS钢(OxideDispersionStrengthened)及其制备方法。
技术介绍
积极发展核电是我国能源发展的重要战略规划之一。然而，未来第四代裂变堆燃料包壳材料和聚变堆增殖包层结构材料面临高温、强中子辐照、腐蚀等极端恶劣的服役环境，对抗强中子辐照性能、高温力学性能、高温抗氧化性能等提出极高的要求，其中抗强中子辐照性能和高温力学性能是最关键的两个性能指标。析出相越细小弥散，热稳定性越高，发挥的作用就越大。具有高稳定性的细小、弥散析出相不仅能够提高高温强度，还能捕获辐照缺陷，起到“陷阱”作用，从而增强抗中子辐照的能力。Y2O3颗粒是一种惰性稀土氧化物，物理化学性质稳定，具有较大的中子吸收截面；即使在高温、长时、应力环境下服役，仍然能够稳定钉扎位错运动，提高材料的高温组织热稳定性。当经受大剂量中子辐照时，材料内部发生(n,α)嬗变，产生具有放射性的同位素和氦原子，弥散分布在基体中的纳米Y2O3颗粒能够作为氦等各种辐照缺陷陷阱，阻止氦原子聚集形成氦泡，大幅度提高抗中子辐照性能。因此，氧化物弥散强化(ODS)钢具有优异的高温力学性能和良好的抗强中子辐照性能。当前，在聚变堆用先进钢铁结构材料中，日本发展9-12Cr系列ODS钢，欧洲发展ODS-Eurofer97钢，中国发展CLAM-ODS钢、CLF-ODS钢等。与低活化钢(RAFM)相比，其相应添加氧化物的ODS钢高温力学性能和抗辐照性能均得到明显提高。然而，从更高温、长时、辐照的极端服役条件下看，以上ODS钢的成分和组织在初始设计时仍存在着不足之处：(1)此类ODS钢的母合金成分中含有碳元素，会形成大量M23C6碳化物，该碳化物仍然会在后续的高温长时服役条件下发生熟化长大。另外，辐照还会促进它的熟化；而粗大的M23C6碳化物会诱发蠕变孔洞，导致蠕变断裂以及辐照后韧脆转变温度(DBTT)急剧上升；(2)W、Mo元素是在高温长时过程中形成Laves相(Fe2W、Fe2Mo)的主要元素，过高的W、Mo元素含量，会增大Laves相析出的驱动力，在辅以辐照的条件下，粗化速度极大，不仅降低W、Mo元素的固溶强化效果，粗化的Laves相还会诱发蠕变断裂、致使DBTT上升。专利文献1(CN201110103010)涉及一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，其中所述马氏体耐热钢的主要合金成分(重量百分比)为Mn：0.8～1.5％；Cr:8.0～10.0％；W:≤1.5％；Mo:≤1.5％；且W+Mo:1.5～2.0％；Nb:≤0.06％；Ta:≤0.15％；且Nb+Ta：0.05～0.15％；V:0.1～0.3％；N:0.02～0.08％；Fe余量；C：≤0.005％；Si:≤0.5％；S:≤0.005％；P:≤0.005％；Co:≤1.5％；O:≤0.0010％；Ni:≤0.01％；Al:<0.01％；Ti:<0.005％；Cu:<0.01％。但是该合金析出相密度低，组织热稳定差，只能用于600℃及以下温度，无法在650℃以上温度下使用。
技术实现思路
针对
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术的目的在于提出一种新型氮化物强化ODS钢及其制备方法，利用弥散细小的具有高热稳定性的氮化物和氧化物协同强化作用获得优良高温组织稳定性的氮化物强化ODS钢，通过独特新颖的组织设计，可以获得优良的抗强中子辐照性能和高温力学性能。本专利技术的技术方案如下：一种氮化物强化ODS钢，按重量百分比计，其合金成分如下：C:≤0.03％，Si:≤0.5％，Mn:0.6～1.5％，Cr:8.0～15.0％，W:≤1.5％，Mo:≤1.5％，(W+Mo):1.0～1.5％，Nb:0.02～0.06％，Ta:0.05～0.15％，(Nb+Ta):0.10～0.15％，V:0.15～0.30％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，N:0.02～0.08％，Co:≤0.05％，Ni:≤0.01％，Al:<0.01％，Ti:<0.005％，Cu:<0.01％，P<0.010％，S<0.005％，Fe余量；通过控制碳含量在0.03％以下，避免形成高温长时服役条件下易粗化的M23C6碳化物，M主要为Cr或Fe，而仅由具有热稳定性且弥散分布的纳米级氮化物和氧化物协同强化，由此获得优异的高温组织热稳定性与优异的抗辐照性能。所述的氮化物强化ODS钢，其组织为铁素体或者马氏体组织，其上分布的纳米级氮化物的尺寸在10～50nm之间，数密度在1021～1022个/立方米的数量级，而纳米氧化物颗粒的尺寸在20nm以下，数密度在1023个/立方米的数量级。所述的氮化物强化ODS钢的制备方法，该氮化物强化ODS钢的制备过程包括：母合金冶炼→粉末雾化→高能球磨→粉末包套抽气→热等静压固化成型→热轧→热处理，最终获得所需的组织；按重量百分比计，氮化物强化ODS钢的母合金成分为：C:≤0.005％；Si:≤0.5％；Mn:0.6～1.5％；Cr:8.0～15.0％；W:≤1.5％；Mo:≤1.5％；(W+Mo):1.0～1.5％；Nb:0.02～0.06％；Ta:0.05～0.15％；(Nb+Ta):0.10～0.15％；V:0.15～0.30％；N:0.02～0.08％；Co:≤0.05％；Ni:≤0.01％；Al:<0.01％；Ti:<0.005％；Cu:<0.01％；P<0.010％，S<0.005％；Fe余量；简写为：Fe-0C-(8～15)Cr-1.25(W+Mo)-0.20V-0.12(Ta+Nb)-1.0Mn。所述的Fe-0C-(8～15)Cr-1.25(W+Mo)-0.20V-0.12(Ta+Nb)-1.0Mn母合金中，Mn、Ta元素为易烧损元素，需按90～93％收得率进行配料，并在精炼时加入该合金元素，精炼时间为10～30min，期间搅拌3～5次。所述的母合金粉末雾化要求如下：粒度<40μm，雾化气体压力>3.5MPa，过热度>200℃，保护气氛为体积纯度99.99％以上的氩气。为了使粒径为20～50nm的Y2O3纳米颗粒均匀弥散分布于母合金粉末中，高能球磨工艺参数控制如下：球磨气氛为体积纯度99.99％以上的氩气，球料质量比为(5～10):1，球磨时间40～60h，转速为350～500r/min。为了去除粉末颗粒表面吸附的气体减小孔隙率，粉末包套的抽气工艺如下：真空度为10-1Pa，温度为400～500℃，时间为3～5h。所述的粉末包套的热等静压固化成型工艺如下：压力为120～150MPa，温度为1000～1200℃，保温保压时间为3～5h。为了进一步提高固化成型后氮化物强化ODS钢的致密度和力学性能，热轧工艺控制如下：开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为900～950℃，轧制道次为5～6次。所述的氮化物强化ODS钢的热处理工艺控制如下：正火本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物强化ODS钢，其特征在于，按重量百分比计，其合金成分如下：C:≤0.03％，Si:≤0.5％，Mn:0.6～1.5％，Cr:8.0～15.0％，W:≤1.5％，Mo:≤1.5％，(W+Mo):1.0～1.5％，Nb:0.02～0.06％，Ta:0.05～0.15％，(Nb+Ta):0.10～0.15％，V:0.15～0.30％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，N:0.02～0.08％，Co:≤0.05％，Ni:≤0.01％，Al:

【技术特征摘要】
1.一种氮化物强化ODS钢，其特征在于，按重量百分比计，其合金成分如下：C:≤0.03％，Si:≤0.5％，Mn:0.6～1.5％，Cr:8.0～15.0％，W:≤1.5％，Mo:≤1.5％，(W+Mo):1.0～1.5％，Nb:0.02～0.06％，Ta:0.05～0.15％，(Nb+Ta):0.10～0.15％，V:0.15～0.30％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，N:0.02～0.08％，Co:≤0.05％，Ni:≤0.01％，Al:<0.01％，Ti:<0.005％，Cu:<0.01％，P<0.010％，S<0.005％，Fe余量；通过控制碳含量在0.03％以下，避免形成高温长时服役条件下易粗化的M23C6碳化物，M主要为Cr或Fe，而仅由具有热稳定性且弥散分布的纳米级氮化物和氧化物协同强化，由此获得优异的高温组织热稳定性与优异的抗辐照性能。2.按权利要求1所述的氮化物强化ODS钢，其特征在于，其组织为铁素体或者马氏体组织，其上分布的纳米级氮化物的尺寸在10～50nm之间，数密度在1021～1022个/立方米的数量级，而纳米氧化物颗粒的尺寸在20nm以下，数密度在1023个/立方米的数量级。3.按权利要求1～2之一所述的氮化物强化ODS钢的制备方法，其特征在于，该氮化物强化ODS钢的制备过程包括：母合金冶炼→粉末雾化→高能球磨→粉末包套抽气→热等静压固化成型→热轧→热处理，最终获得所需的组织；按重量百分比计，氮化物强化ODS钢的母合金成分为：C:≤0.005％；Si:≤0.5％；Mn:0.6～1.5％；Cr:8.0～15.0％；W:≤1.5％；Mo:≤1.5％；(W+Mo):1.0～1.5％；Nb:0.02～0.06％；Ta:0.05～0.15％；(Nb+Ta):0.10～0.15％；V:0.15～0.30％；N:0.02～0.08％；Co:≤0.05％；Ni:≤0.01％；Al:<0.01％；Ti:<0.005％；Cu:<0.01％；P<0...

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，李艳芬，单以银，石全强，杨柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21