一种金属材料的制备方法和低活化铁素体/马氏体钢技术

本公开提供了一种金属材料的制备方法和低活化铁素体/马氏体钢。该制备方法采用增材制造工艺，包括：利用激光对原料粉末进行成型处理，得到成型样品；和对所述成型样品进行热处理，得到微观组织包括氧化物的金属材料；其中，在所述成型处理的过程中，控制打印舱内的氧含量为300

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料的制备方法和低活化铁素体/马氏体钢


[0001]本公开涉及金属合金的成分设计和制备
，更具体地，涉及一种金属材料的制备方法和低活化铁素体/马氏体钢。

技术介绍

[0002]核能是公认的储量最大的清洁能源，实现可控核聚变是各国能源发展的重要战略规划之一，而聚变堆所用材料是制约可控核聚变商业化的主要限制之一。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)因其抗辐照肿胀、热膨胀系数、高温力学性能等方面具有优势，且相较于钒合金、SiC等材料而言，制备工艺成熟、易于加工，RAFM已成为目前国内外聚变堆包层材料和第一壁/偏滤器的首选材料。
[0003]聚变堆材料的抗辐照性能和高温力学性能是关注的重点，对低活化钢进行性能增强的主要思路是，通过合金设计，其重点是控制Ti的含量为0.16％
‑
0.28％，C的含量为0.04％
‑
0.07％，Ti∶C＝3
‑
4∶1，使得低活化钢在轧制
‑
淬火/退火
‑
回火工艺后，基体中主要析出MX相(M＝Ti、V，X＝C)，而尽可能避免析出粗化速度相对较高、热稳定性相对较低的M23C6相。目前一些研究表明，MX相对于抗辐照性能和高温力学性能的增强效果不如弥散纳米氧化物的强化效果，因此上述的合金设计还存在问题。而常规引入氧化物第二相的方法是将氧化物粉末与金属粉末混合，并通过机械合金化的方法成型。这一方法流程复杂，成本高，可操作性低，容易引入杂质，而且最终生成的氧化物的质量与混粉过程中纳米氧化物颗粒的混入质量密切相关，不适合大规模工业生产。
[0004]因此为实现低活化钢在聚变反应堆包层材料上的应用，在基体中进一步生成性能更好的弥散纳米氧化物，新的合金设计和新的制造工艺思路亟需提出。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本公开的实施例提供了一种金属材料的制备方法和低活化铁素体/马氏体钢。
[0006]根据本公开的一个方面，提供了一种金属材料的制备方法，所述制备方法采用增材制造工艺，包括：利用激光对原料粉末进行成型处理，得到成型样品；和对所述成型样品进行热处理，得到微观组织包括氧化物的金属材料；其中，在所述成型处理的过程中，控制打印舱内的氧含量为300
‑
2000ppm。
[0007]根据本公开的实施例，所述利用激光对原料粉末进行成型处理的步骤之前，还包括：按照所述金属材料的成分配比原料并熔炼，采用真空雾化制粉技术，获得所述原料粉末；和设计所述金属材料的形状，对所述形状切片化处理后导入增材制造设备。
[0008]根据本公开的实施例，所述原料粉末的粒径为15
‑
53μm，D50为36μm，球形度＞90％，流动性＜20s，松装密度＞4.1g/cm3。
[0009]根据本公开的实施例，所述利用激光对原料粉末进行成型处理的步骤中，所述增材制造工艺的参数为：激光功率为180
‑
220W，扫描速度为700
‑
1000mm/s，扫描间距为80
‑
120
μm，层厚为30μm，旋转角度为67
°
，扫描策略是stripe模式。
[0010]根据本公开的实施例，所述原料粉末的化学组分包括C、V和活性元素，其中，所述活性元素用于与打印舱内的O结合形成所述氧化物。
[0011]根据本公开的实施例，所述微观组织包括氧化物的金属材料还包括碳化物，所述金属材料是由所述氧化物和碳化物共同强化的低活化铁素体/马氏体钢。
[0012]根据本公开的实施例，所述碳化物的化学组分包括Ti、V、C，所述氧化物的化学组分包括Ti、V、O。
[0013]根据本公开的实施例，所述活性元素包括Ti、Al和Y中的至少一种。
[0014]根据本公开的实施例，所述金属材料的化学组分满足：
[0015]A
×
[O]+B
×
[C]＝[M1]+[V][0016]式中：A的范围是[1.5，2]；B的范围是[3，4]；[O]、[C]、[M1]和[V]分别代表对应化学组分的质量百分比，其中，[M1]是活性元素的质量百分比之和。
[0017]根据本公开的实施例，所述对所述成型样品进行热处理的步骤中，所述热处理包括退火和回火。
[0018]根据本公开的实施例，所述退火的温度为1000
‑
1050℃，所述退火的时间为20
‑
30min。
[0019]根据本公开的实施例，所述回火的温度为600
‑
700℃，所述回火的时间为20
‑
120min。
[0020]本公开的另一个方面提供了一种由上述方法制得的氧化物和碳化物共同强化的低活化铁素体/马氏体钢，所述低活化铁素体/马氏体钢的化学组分包括Cr、W、Mn、V、Si、Ti、C和Fe，其中：所述Cr在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[8.5，9.5]wt％，所述W在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.8，1.2]wt％，所述Mn在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.3，0.6]wt％，所述V在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.1，0.4]wt％，所述Si在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.1，0.2]wt％，所述Ti在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.15，0.75]wt％，所述C在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.05，0.2]wt％。
[0021]根据本公开的实施例，所述低活化铁素体/马氏体钢具有微观组织，所述微观组织包括铁素体、马氏体、碳化物和氧化物。
[0022]根据本公开的实施例，所述碳化物的化学组分包括Ti、V、C，所述碳化物的尺寸为10
‑
50nm；所述氧化物的化学组分包括Ti、V、O，所述氧化物的尺寸为30
‑
100nm。
[0023]根据本公开的实施例，所述低活化铁素体/马氏体钢的化学组分还包括活性金属，所述氧化物是由所述活性金属与氧形成的。
[0024]根据本公开的实施例，所述活性金属包括Al和Y中的至少一种。
[0025]根据本公开的实施例，所述Al在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.1，0.5]wt％；所述Y在所述低活化铁素体/马氏体钢的质量百分比为[0.05，0.4]wt％。
[0026]根据本公开的实施例，所述低活化铁素体/马氏体钢的化学组分满足：
[0027]A
×
[O]+B
×
[C]＝[Ti]+[V]+[M2][0028]式中：A的范围是[1.5，2]；B的范围是[3，4]；[O]、[C]、[Ti]、[V]、[M2]分别代表对应化学组分的质量百分比，其中，[M2]是活性金属的质量百分比之和。
[0029]从上述技术方案可以看出，本公开提供的金属材料的制备方法和低活化铁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用增材制造工艺，包括：利用激光对原料粉末进行成型处理，得到成型样品；和对所述成型样品进行热处理，得到微观组织包括氧化物的金属材料；其中，在所述成型处理的过程中，控制打印舱内的氧含量为300
‑
2000ppm。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用激光对原料粉末进行成型处理的步骤之前，还包括：按照所述金属材料的成分配比原料并熔炼，采用真空雾化制粉技术，获得所述原料粉末；和设计所述金属材料的形状，对所述形状切片化处理后导入增材制造设备。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原料粉末的粒径为15
‑
53μm，D50为36μm，球形度＞90％，流动性＜20s，松装密度＞4.1g/cm3。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用激光对原料粉末进行成型处理的步骤中，所述增材制造工艺的参数为：激光功率为180
‑
220W，扫描速度为700
‑
1000mm/s，扫描间距为80
‑
120μm，层厚为30μm，旋转角度为67
°
，扫描策略是stripe模式。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述原料粉末的化学组分包括C、V和活性元素，其中，所述活性元素用于与打印舱内的O结合形成所述氧化物。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微观组织包括氧化物的金属材料还包括碳化物，所述金属材料是由所述氧化物和碳化物共同强化的低活化铁素体/马氏体钢。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳化物的化学组分包括Ti、V、C，所述氧化物的化学组分包括Ti、V、O。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述活性元素包括Ti、Al和Y中的至少一种。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属材料的化学组分满足：A
×
[O]+B
×
[C]＝[M1]+[V]式中：A的范围是[1.5，2]；B的范围是[3，4]；[O]、[C]、[M1]和[V]分别代表对应化学组分的质量百分比，其中，[M1]是活性元素的质量百分比之和。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述成型样品进行热处理的步骤中，所述热处理包括退火和回火。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述退火的温度为1000
‑
1050℃，所述退火的时间为20
‑
30min。12.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张舒博，黎明燊，陈浩，刘伟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：