一種ods鐵素體不銹鋼的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粉末冶金材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在聚變反應(yīng)堆中，第一壁包層的工作環(huán)境非常惡劣，因此不僅要求第一壁包層材 料具有良好的抗氧化性、高溫抗蠕變性能，而且還要有非常好的抗輻照損傷性能。目前核 反應(yīng)堆工作溫度為250~300°C，工作壓力為7~15MPa，輻照劑量為10-25dpa。未來第四 代核反應(yīng)堆工作溫度可達(dá)到600~1100°C，工作壓力可達(dá)到24MPa，輻照劑量高達(dá)150~ 200dpa。目前核電站廣泛使用的包殼材料為鋯（Zr)合金，但Zr合金的機(jī)械性能較差，并存 在嚴(yán)重的輻照腫脹問題，不能滿足新型核能系統(tǒng)反應(yīng)堆燃料包殼的要求。研究者篩選出了 兩類燃料包殼的候選材料，分別是鎳基合金和鐵基不銹鋼（包括奧氏體不銹鋼、低活性的 鐵素體/馬氏體鋼（F/M雙相鋼）以及鐵素體不銹鋼等）。研究表明：與Ni基合金和奧氏體 不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼具有更優(yōu)良的抗腫脹性能；與F/M雙相鋼相比，鐵素體不銹鋼具 有較高的抗高溫蠕變性能。在鐵素體不銹鋼中引入彌散分布的氧化物顆粒（如Y 2〇3、Ti02、 Zr02、Al203以及MgO等）可以顯著提高鐵素體不銹鋼的抗高溫蠕變性能，這類氧化物彌散強(qiáng) 化的鐵素體不銹鋼稱為ODS鐵素體鋼。其中，Y 2O3具有優(yōu)異的高溫相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、很低的中 子吸收界面，是制備ODS鐵素體鋼的理想添加相。截止目前，添加 Y2O3的ODS鐵素體鋼被認(rèn) 為是第四代核能系統(tǒng)反應(yīng)堆第一壁包層最具潛力的候選材料。
[0003] ODS鐵素體不銹鋼的制備工藝關(guān)鍵在于如何將納米氧化物顆粒均勻地分散到鐵基 體中。傳統(tǒng)ODS鐵素體鋼以機(jī)械合金化（MA)方法為主，如附圖1所示，通過高能球磨使Y 2O3 等氧化物顆粒彌散分布在鐵基體內(nèi)，然而傳統(tǒng)M法存在球磨時間長、Y2O3易分解反應(yīng)、含氧 量不易控制以及微觀組織復(fù)雜等固有缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)（PM)技術(shù)可以規(guī)避MA方 法的固有缺點(diǎn)，但現(xiàn)有PM技術(shù)缺乏對Y 2O3顆粒在鐵素體內(nèi)的尺寸分布和位置分布的控制， 導(dǎo)致制備的ODS鐵素體鋼強(qiáng)韌性較差。專利申請人在前期對鋁基復(fù)合材料的研究過程中發(fā) 現(xiàn)納米片狀粉末具有特殊的燒結(jié)粗化行為，這種特殊的燒結(jié)粗化行為顯著影響氧化物顆粒 在鋁基體內(nèi)的尺寸分布和位置分布。由此，申請人提供了一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種Y2O3彌散分布的ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法，且制備的ODS鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能較好。
[0005] 有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环NODS鐵素體不銹鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0006] A)，制備鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W ;
[0007] B)，將所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合 金粉末；
[0008] C)，將所述片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行過濾，烘干后與Y2O3粉末進(jìn)行混粉 處理，得到復(fù)合粉末；
[0009] D)，將所述復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，再進(jìn)行粉末燒結(jié)，然后將燒結(jié)后的材料進(jìn)行熱擠 壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。
[0010] 優(yōu)選的，所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末采用霧化法制備得到。
[0011] 優(yōu)選的，所述低能球磨為濕磨。
[0012] 優(yōu)選的，步驟B)中所述低能球磨的磨球直徑為10mm、5mm和3mm的淬火鋼球，球料 比為20:1，所述低能球磨的轉(zhuǎn)速為150~250rpm，所述低能球磨的時間為5~15h。
[0013] 優(yōu)選的，步驟A)中所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末的平均粒徑為100 μπι以下。
[0014] 優(yōu)選的，所述混粉處理為濕法混粉。
[0015] 優(yōu)選的，所述ODS鐵素體不銹鋼中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于I. 5wt %，Y2O3的含量小于或等于I. 5wt %。
[0016] 優(yōu)選的，所述Y2O3粉末的粒徑為50nm以下。
[0017] 優(yōu)選的，所述粉末燒結(jié)的溫度為1100°C~1300°C，時間為2~5h。
[0018] 優(yōu)選的，所述熱擠壓的溫度為850°C~1100°C，擠壓比為10:1~30:1。
[0019] 本申請?zhí)峁┝艘环NODS鐵素體不銹鋼的制備方法，其首先將ODS鐵素體不銹鋼預(yù) 合金粉末進(jìn)行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末，再將片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合 金粉末進(jìn)行過濾，烘干后與Y 2O3粉末進(jìn)行混粉處理，得到復(fù)合粉末，最后將復(fù)合粉末進(jìn)行冷 壓、粉末燒結(jié)和熱擠壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。本申請在低能球磨的過程中，由于球磨速 度較低，能量較低，鐵素體預(yù)合金粉末在球磨過程中不發(fā)生機(jī)械合金化作用，而發(fā)生塑性變 形，使鐵素體預(yù)合金粉末變成片粉狀，提高了鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末的比表面能；再以其 作為基體材料添加 Y2O3粉末，使Y 2〇3均勻地分散到鐵素體不銹鋼中，最終得到了強(qiáng)度高、韌 性好的ODS鐵素體不銹鋼。
【附圖說明】
[0020] 圖1為傳統(tǒng)機(jī)械合金化法制備ODS鐵素體鋼的工藝方法示意圖；
[0021] 圖2為采用本發(fā)明制備ODS鐵素體鋼的工藝方法示意圖；
[0022] 圖3為隨球磨時間增長鐵素體不銹鋼粉末形貌及尺寸變化的SEM照片；
[0023] 圖4為本發(fā)明制備氧化物彌散強(qiáng)化ODS鐵素體鋼的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是 應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的 限制。
[0025] 本發(fā)明實(shí)施例公開了一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0026] A)，制備鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W ;
[0027] B)，將所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合 金粉末；
[0028] C)，將所述片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行過濾，烘干后與Y2O3粉末進(jìn)行混粉 處理，得到復(fù)合粉末；
[0029] D)，將所述復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，再進(jìn)行粉末燒結(jié)，然后將燒結(jié)后的材料進(jìn)行熱擠 壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。
[0030] 如圖4所示，圖4為本發(fā)明制備ODS鐵素體不銹鋼的流程示意圖。根據(jù)圖4,本申 請制備ODS鐵素體不銹鋼的過程主要包括：利用低能球磨工藝對鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末 進(jìn)行活化處理，提高其表面能；其次對片狀粉末進(jìn)行表面改性并與納米氧化物顆粒進(jìn)行混 粉；然后除氣、固結(jié)、燒結(jié)處理；最后通過熱擠壓使鐵素體不銹鋼致密化，得到了 ODS鐵素體 不銹鋼。
[0031] 按照本發(fā)明，在制備ODS鐵素體不銹鋼的過程中，首先制備鐵素體不銹鋼預(yù)合金 粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W。所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末的平均粒徑小于100 微米，顆粒越細(xì)小，越有利于燒結(jié)性能的提高。本申請所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末優(yōu)選采 用水霧法制備得到。所述鐵素體不銹鋼中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于 I. 5wt%。
[0032] 本申請將所述鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預(yù) 合金粉末。鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末為BCC晶體結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系多，具有較高的塑性變 形能力。在低能球磨過程中，由于球磨速度較低，能量較低，鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末在球 磨過程中不發(fā)生機(jī)械合金化作用，而發(fā)生塑性變形，也即所謂的微乳制。如附圖3所示，圖3 為隨球磨時間增長鐵素體不銹鋼粉末形貌及尺寸變化的SEM照片；其中圖2a為初始水霧化 410L鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末的SHM照片，圖2b為球磨Ih后的預(yù)合金粉末的SHM照片，圖 2c為球磨3h后的預(yù)合金粉末的SEM照片，圖2d為球磨7h后的預(yù)合金粉末的SEM照片，由 圖3可知，在濕磨過程中，鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末在微乳作用下變成片粉狀，隨著球磨時 間的延長，片狀粉末厚度可以細(xì)化到納米級。
[0033] 本申請所述低能球磨優(yōu)選為濕磨，所述濕磨的助磨劑優(yōu)選為硬脂酸，所述濕磨的 介質(zhì)優(yōu)選為乙稀醇。所述低能球磨的磨球直徑為l〇mm、5mm和3mm的淬火鋼球，球料比為 20:1，所述低能球磨的轉(zhuǎn)速為150~250rpm，所述低能球磨的時間為5~15h。
[0034] 本發(fā)明然后將得到的納米級片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行過濾，烘干后與 Y2O3粉末進(jìn)行混粉處理，得到復(fù)合粉末。納米片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末具有特殊的燒結(jié) 粗化行為，以納米片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末作為基體材料，通過組裝Y 2O3粉末，使Y 2〇3 彌散分布于片狀鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末表面，有利于獲得強(qiáng)度高、韌性好的ODS鐵素體 不銹鋼。在上述過程中，所述Y2O 3粉末的粒徑為50nm以下，Y 203粒徑越細(xì)，彌散強(qiáng)化效果越 好，最終獲得的塊體鐵素體ODS鋼性能越好。所述Y 2O3在鐵素體不銹鋼中的含量小于或等 于1. 5wt %。本申請所述混粉處理優(yōu)選為干法混粉或濕法混粉，所述干法混粉是在室溫下， 在滾筒球磨機(jī)上片狀預(yù)合金粉末與Y2O 3納米顆粒進(jìn)行球磨混合，但是Y 2〇3分散性不好；所 述濕法混粉是對Y2O3納米顆粒和鐵素體片狀預(yù)合金粉末進(jìn)行表面處理，如前者羧基化，后 者羥基化，然后在滾筒球磨機(jī)上進(jìn)行混粉。本申請所述混粉處理優(yōu)選為濕法混粉。
[0035] 按照本發(fā)明，再將復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，使復(fù)合粉末固結(jié)成型；然后進(jìn)行燒結(jié)，最后 進(jìn)行擠壓。上述過程中，所述燒結(jié)的溫度優(yōu)選為IKKTC~1300°C，所述燒結(jié)的時間優(yōu)選為 2~5h。所述熱擠壓的溫度優(yōu)選為850~1100 °C，所述熱擠壓的擠壓比優(yōu)選為10:1~30:1。
[0036] 通過對比圖1和圖2可知，傳統(tǒng)工藝將鐵素體鋼預(yù)合金粉末和Y2O3顆粒一起放入 球磨機(jī)，進(jìn)行高能球磨，在高能球磨過程中Y2O3分解并與鐵素體預(yù)合金粉末發(fā)生反應(yīng)；而本 申請將鐵素體不銹鋼預(yù)合金粉末進(jìn)行長時間低能球磨以制備片狀預(yù)合金粉末，再過濾烘干 收集片狀預(yù)合金粉末，繼而將納米Y2O 3顆粒和片狀預(yù)