一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢及其制备方法和应用，属于金属材料技术领域。本发明专利技术提供的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其制备原料包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr 14wt％，W 3wt％，Ti 0.4wt％，Y2O3 0.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量为0.3～2at％。本发明专利技术提供的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢在900℃退火1h的前后，晶粒尺寸变化不大，维持在50～86nm，且退火前后压缩屈服强度和拉伸屈服强度均在2000MPa以上。

A Super High Strength and High Thermal Stability Nanocrystalline ODS Steel and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢及其制备方法和应用
本专利技术涉及金属材料
，尤其涉及一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢及其制备方法和应用。
技术介绍
根据世界银行、世界能源委员会和世界核能等机构预测，到2050年世界人口将增加到100亿，人口数量的快速增长带来的是能源的大量消耗。由于石油、天然气及煤炭等不可再生的化石燃料储量有限，使得各国不得不迫切寻找一种可替代的新型清洁能源，而核能作为一种清洁、安全、高效、环境污染小、CO2零排放的新能源受到了广泛的关注，成为开发新能源的首选。目前，中国首批“人造太阳”——热核聚变实验堆取得新突破。但是聚变堆有许多高难技术问题需要解决，其中决定未来聚变堆安全可靠、高效发展的关键问题之一，是研发出能够在反应堆苛刻的环境中长期工作的新型抗辐照结构材料。因此，核聚变反应堆材料特别是第一壁材料的研究就显得尤为重要。氧化物弥散强化(ODS)钢成为近年来聚变堆结构材料的研究热点。其高密度的第二相颗粒可以俘获He，使得He以纳米尺寸的氦泡形式弥散在反应堆的第一壁/包层材料中，避免大尺寸氦泡的产生，降低了材料氦脆的可能，改善材料的抗肿胀性能及抗辐照能力，被公认为是最有希望的聚变堆第一壁候选结构材料。ODS钢基体晶粒尺寸约在200～1000nm之间，基体内部含有大量、高度弥散的细小纳米析出相，因而可以被看作一种具有超细晶结构的纳米析出相强化钢。纳米析出相具有很高的高温稳定性，可以有效提升其室温强度和高温蠕变强度。另外，ODS钢中大量的纳米析出/基体界面可以有效地捕获缺陷并提高空位和间隙的重组，导致其具有优良的抗中子辐照肿胀性能。但是，ODS钢中的纳米晶体中大量的晶界处于热力学亚稳态，在高温下将向较稳定的亚稳态或稳定态转化，一般表现为固溶脱溶，晶粒长大及相转变三种形式。纳米晶体一旦发生晶粒长大，即转变为普通粗晶材料，就会失去其优异的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢及其制备方法和应用，本专利技术提供的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢具有超高强度和高热稳定性的优势。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其制备原料包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr14wt％，W3wt％，Ti0.4wt％，Y2O30.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量为0.3～2at％。优选的，所述过渡金属为Zr或Hf。优选的，所述超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的晶粒尺寸为45～85nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的制备方法，包括如下步骤：将原料按比例混合后，进行机械合金化，得到亚稳态结构粉末；将所述亚稳态结构粉末进行冷压成型，得到块体；将所述块体进行热压烧结，得到超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢。优选的，所述机械合金化的方式为球磨，所述球磨的球料比为5～10:1，转速为1420r/min，时间为20～24h，所述球磨在保护氛围进行。优选的，所述冷压成型在真空条件进行，所述冷压成型的压力为3～5MPa，保压时间为1～2min。优选的，所述真空条件为-0.5～-1.0bar。优选的，所述热压烧结的温度为800～1200℃，压力为3～5GPa，保温保压时间为0.5～1h。优选的，所述热压烧结完成后，还包括水冷。本专利技术还提供了上述技术方案所述超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢或上述技术方案所述制备方法得到的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢作为聚变堆包层结构材料的应用。本专利技术提供了一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr14wt％，W3wt％，Ti0.4wt％，Y2O30.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量为0.3～2at％。本专利技术在14YWT氧化物弥散强化钢成分的基础上，添加适当量的过渡金属，过渡金属元素的加入产生了强烈的晶界强化效应，提高了屈服强度；由于过渡金属的加入会产生第二相纳米团簇(如Y-Ti-Zr-O、Y-Ti-Hf-O)，对于烧结过程中晶界的迁移起到了钉扎作用，增加晶界迁移的阻力；且过渡金属作为溶质元素被吸附在纳米晶ODS钢中大量的晶粒边界上，产生溶质元素的偏聚现象从而降低晶界能，减小晶界迁移的驱动力，有效地抑制了晶粒长大；上述组分能够得到晶粒小于200nm的超细晶粒尺寸，且将超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢进行高温退火后晶粒尺寸变化不大，仍然具有优异的性能。实验结果表明，本专利技术提供的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢在900℃退火1h的前后，晶粒尺寸变化不大，维持在50～86nm，且退火前后压缩屈服强度和拉伸屈服强度均在2000MPa以上，有助于提高聚变堆包层结构材料的应力设计。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的纳米晶氧化物弥散强化钢的明场透射图；图2是本专利技术实施例1制备的纳米晶氧化物弥散强化钢900℃退火1小时后的明场透射图；图3是本专利技术实施例1制备的纳米晶氧化物弥散强化钢900℃退火1小时后的HAADF-STEM透射图；图4是本专利技术实施例2制备的纳米晶氧化物弥散强化钢的暗场透射图；图5是本专利技术实施例2制备的纳米晶氧化物弥散强化钢900℃退火1小时后的明场透射图；图6是本专利技术实施例3制备的纳米晶氧化物弥散强化钢的明场透射图；图7是本专利技术实施例3制备的纳米晶氧化物弥散强化钢900℃退火1小时后的明场透射图；图8是本专利技术对比例1制备的氧化物弥散强化钢的明场透射图；图9是本专利技术对比例1制备的氧化物弥散强化钢900℃退火1小时后的暗场透射图；图10是本专利技术实施例1、2、3和对比例1所测压缩应力应变曲线；图11是本专利技术实施例1、2、3和对比例1所测室温拉伸应力应变曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其制备原料包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr14wt％，W3wt％，Ti0.4wt％，Y2O30.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量(即在制备原料中过渡金属的原子百分含量)为0.3～2at％。在本专利技术中，所述过渡金属优选为Zr或Hf。在本专利技术中，所述超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的晶粒尺寸优选为45～85nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的制备方法，包括如下步骤：将原料按比例混合后，进行机械合金化，得到亚稳态结构粉末；将所述亚稳态结构粉末进行冷压成型，得到块体；将所述块体进行热压烧结，得到超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢。本专利技术将原料按比例混合后，进行机械合金化，得到亚稳态结构粉末。在本专利技术中，所述原料优选为粉末状态，具体的原料包括Fe粉、Cr粉、W粉、Ti粉、Y2O3粉、过渡金属粉；所述Fe粉的纯度优选≥99.9％，粒径优选≥100目；所述Cr粉的纯度优选≥99.95％，粒径优选≥200目；所述W粉的纯度优选≥99.9％，粒径优选≥300目；所述Ti粉的纯度优选≥99.9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其特征在于，其制备原料包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr 14wt％，W 3wt％，Ti 0.4wt％，Y2O3 0.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量为0.3～2at％。

【技术特征摘要】
1.一种超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其特征在于，其制备原料包括14YWT氧化物弥散强化钢基底组分和过渡金属；所述14YWT氧化物弥散强化钢基底组分由如下质量百分含量的组分组成：Cr14wt％，W3wt％，Ti0.4wt％，Y2O30.3wt％，余量为Fe；所述过渡金属的原子百分含量为0.3～2at％。2.根据权利要求1所述的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其特征在于，所述过渡金属为Zr或Hf。3.根据权利要求1或2所述的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢，其特征在于，所述超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的晶粒尺寸为45～85nm。4.权利要求1～3任一项所述的超高强度高热稳定性纳米晶ODS钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将原料按比例混合后，进行机械合金化，得到亚稳态结构粉末；将所述亚稳态结构粉末进行冷压成型，得到块体；将所述块体进行热压烧结，得到超高强度高热稳定性纳米晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈同德，梁晋嘉，孙宝茹，杜聪聪，刘国英，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13