一种基于粉末冶金工艺制备弥散氧化物强化型钢的方法与流程

1.本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是涉及制备弥散氧化物强化型钢的制备技术。


背景技术：

2.316l钢作为一种cr
‑
ni
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mo型的超低碳不锈钢，有着非常优越的抗硫及其化合物、非氧化性酸和有机酸腐蚀的性能，此外，其延展性也十分优良，常温下塑性变形量可达40％。但是，由于316l不锈钢的抗拉强度(约520mpa)和屈服强度(约205mpa)较低，在实际应用中并不能应用于受力较大的支撑构件，因此，提出一种能够明显提升316l不锈钢力学性能的方法显得尤为关键。
3.作为第四代核反应堆容器包套的优先候选材料，氧化物弥散强化钢(即ods钢)兼具优异的高温蠕变性、抗中子辐照性和高温力学性能。通过向基体中引入稳定的纳米氧化物颗粒，在服役过程中这些颗粒能够通过阻碍位错运动和晶界迁移，进而提高材料综合性能。但是，向316l钢中引入纳米氧化物虽然能提高材料的拉伸强度和屈服强度，但是氧化物的钉扎效应会大大降低材料的塑性。因此，如何在保证延展性和韧性的同时，继续提高其力学性能，成为316l钢在性能开发中仍需考虑的一个问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种粉末冶金工艺制备弥散氧化物强化型钢，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种基于粉末冶金工艺制备弥散氧化物强化型钢的方法，以316l粉末为基体，以y粉和fe2o3粉作为增强剂。混料的过程中y粉和fe2o3粉发生反应生成y2o3并与基体均匀混合，烧结过程中复合材料逐渐致密，y2o3在晶粒内和晶界处重新析出起到钉扎位错和晶界的作用，加之迅速的烧结工艺使晶粒来不及长大，共同提高了材料的力学性能。
7.进一步地，所述基于粉末冶金工艺制备弥散氧化物强化型钢的方法，包括以下步骤：
8.(1)在316l粉末中加入y粉和fe2o3粉，使生成y2o3在体系中的质量分数为0.20％
‑
0.50％，均匀混合粉末；
9.(2)将步骤(1)得到的混合粉末置于球磨罐中在排氧后封装，使混合粉末在惰性气体气氛下进行球磨，使混合粉末在惰性气体气氛下进行球磨，保证反应充分进行，生成的y2o3与基体粉末细化并均匀分散；
10.(3)将球磨后的粉末装入模具中，放入放电等离子烧结炉的炉膛内，加压并抽真空后，通电进行放电等离子烧结，烧结完成后保温，使粉末颗粒表面活化并充分扩散形成均匀致密的组织。
11.本发明所述316l粉末的粒径范围在50
‑
100μm，y粉的粒径范围在50
‑
100μm，fe2o3粉
的粒径范围在50
‑
200nm，y粉和fe2o3粉摩尔比为2:1。
12.进一步地，所述步骤(2)球磨过程使用氩气或氦气进行排氧，所述步骤(2)球磨机控制的转速在200
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400转/分，优选250
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300转/分，使得粉末获得足够高的能量，达到粉末破碎和均匀混合的效果，在提供充足能量的基础上促进反应进行，防止转速过高使粉末相互粘连并粘在磨球和罐壁上导致出粉率的降低的情况；球磨时间设置为20
‑
80小时，优选30
‑
40小时，保证在反应能够充分进行、粉末间混合均匀的基础上，尽量缩短球磨时间减小球磨过程中磨球和罐体损耗带来的污染。
13.进一步地，所述步骤(2)中316l预合金粉为99.25wt％
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99.70wt％，y粉为0.157wt％
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0.400wt％，fe2o3粉为0.140wt％
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0.350wt％，所述加入y粉和fe2o3粉的摩尔比为2:1，所述球磨过程中的球料比为5
‑
10：1，防止过高的球料比也会导致粉末粘连致使出粉率降低。
14.进一步地，所述步骤(2)的球磨方式为间歇式球磨，球磨1
‑
2小时，间歇0.5小时，考虑到球磨罐及钢球的承受能力，防止在高能球磨的过程中的严重发热情况。
15.进一步地，所述步骤(3)中放电等离子烧结炉中模具的加压压强为30
‑
50mpa。
16.进一步地，所述步骤(3)中放电等离子烧结的升温速率为50
‑
100℃/min，烧结温度为850
‑
1050℃，保温时间为5
‑
20min。
17.本发明公开了以下技术效果：
18.本发明制备方法中采用粉末冶金法使得添加的y和fe2o3发生了充分的反应生成了纳米级y2o3颗粒，弥散分布在奥氏体基体中，并通过放电等离子烧结获得了致密的、组织均匀的ods
‑
316l钢。通过对本发明获得的ods钢进行组织观察和性能测试，可得本发明中通过反应球磨得到的纳米级fe2o3颗粒的加入使得该材料在并未损失较多塑性的条件下，抗拉强度有了明显的提升，而且在一定程度上，采用间歇式球磨、限定原料比和球磨转速并延长烧结过程中的保温保压时间，有利于提高材料的致密度和塑性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为实施例1的基体晶粒分布sem图。
21.图2为实施例1的y2o3在基体中弥散分布的sem图。
22.图3为实施例1的y2o3颗粒在基体晶界和晶粒内分布的stem图像。
23.图4为实施例2的基体晶粒分布sem图。
24.图5为实施例2的y2o3在基体中弥散分布的sem图。
25.图6为实施例2的y2o3颗粒在基体晶界和晶粒内分布的stem图像。
26.图7为实施例3的基体晶粒分布sem图。
27.图8为实施例1
‑
4和对比例1在室温条件下的应力应变曲线。
具体实施方式
28.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
29.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
30.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
31.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
32.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
33.以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
34.实施例1
35.称取质量分数为99.48％的粒径为75μm的316l预合金粉放至球磨罐中，然后向球磨罐中添加质量分数为0.275％的平均粒径为50μm的纯y粉和0.245％的平均粒径为100nm的fe2o3粉，然后向球磨罐中放入304不锈钢球作为研磨介质，球料比6：1，其中直径为6mm和10mm的不锈钢球重量比为4：1。接着把装有钢球和粉末的球磨罐在手套箱中充氩气并封装，使得球磨过程在氩气的环境下进行。球磨采用南京南大仪器厂生产的qm
‑
3sp4型行星式高能球磨机。球磨转速选为300转/分，球磨时间选为36小时。此外，考虑到球磨罐及钢球的承受能力，防止在高能球磨的过程中的严重发热，球磨模式为间歇式运行，每球磨1.5小时，停歇0.5小时，然后继续运行。球磨后的粉末装入直径为20mm的石墨模具中，在上下冲头和模具之间分别加入一张石墨纸。接着对炉腔进行抽真空处理和对模具进行加压，压强为50mpa；以100℃/分的升温速率，升温至1050℃后，保温保压5分钟，随炉冷却，即得氧化物弥散强化奥氏体钢。
36.对本实施例制备的氧化物弥散强化奥氏体钢进行取样检测。其中图1为晶粒分布sem图，平均晶粒尺寸为1.36μm；图2为y2o3在基体中弥散分布的sem图中颗粒尺寸均匀，分布较为密集，图3为y2o3颗粒在基体晶界和晶粒内分布的stem图像，晶内和晶界中弥散分布着较为密集的y2o3颗粒。
37.实施例2
38.称取质量分数为99.48％的粒径为75μm的316l预合金粉放入至球磨罐中，然后向球磨罐中添加质量分数为0.275％的平均粒径为50μm纯y粉和0.245％的粒径为100nm的fe2o3粉；然后向球磨罐中放入304不锈钢球作为研磨介质，球料比6：1，其中直径为6mm和
10mm的不锈钢球重量比为4：1。接着把装有钢球和粉末的球磨罐在手套箱中充氩气并封装，使得球磨过程在氩气的环境下进行。球磨采用南京南大仪器厂生产的qm
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3sp4型行星式高能球磨机。球磨转速选为300转/分，球磨时间选为36小时；球磨模式为间歇式运行，每球磨1.5小时，停歇0.5小时，然后继续运行。球磨后的粉末装入直径为20mm的石墨模具中，在上下冲头和模具之间分别加入一张石墨纸。接着对炉腔进行抽真空处理和对模具进行加压，压强为50mpa；以100℃/分的升温速率，升温至1050℃后，保温保压10分钟，随炉冷却，即得氧化物弥散强化奥氏体钢。
39.对本实施例制备的氧化物弥散强化奥氏体钢进行取样检测。其中图4为晶粒分布sem图，平均晶粒尺寸为1.41μm，对比实施例1，尺寸有少许增加，这是由保温时间增长导致的；图5为y2o3在基体中弥散分布的sem图，可以看出，弥散分布的sem图中颗粒尺寸均匀，分布较为密集；图6为y2o3颗粒在基体晶界和晶粒内分布的stem图像，晶内和晶界中弥散分布着比较为密集的y2o3颗粒；
40.实施例3
41.称取质量分数为99.48％的粒径为75μm的316l预合金粉放入至球磨罐中，然后向球磨罐中添加质量分数为0.275％的平均粒径为50μm的纯y粉和0.245％的平均粒径为100nm的fe2o3粉，然后向球磨罐中放入304不锈钢球作为研磨介质，球料比6：1，其中直径为6mm和10mm的不锈钢球重量比为4：1。接着把装有钢球和粉末的球磨罐在手套箱中充氩气并封装，使得球磨过程在氩气的环境下进行。球磨采用南京南大仪器厂生产的qm
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3sp4型行星式高能球磨机。球磨转速选为200转/分，球磨时间选为30小时。此外，考虑到球磨罐及钢球的承受能力，防止在高能球磨的过程中的严重发热，球磨模式为间歇式运行，每球磨1小时，停歇0.5小时，然后继续运行。球磨后的粉末装入直径为20mm的石墨模具中，在上下冲头和模具之间分别加入一张石墨纸。接着对炉腔进行抽真空处理和对模具进行加压，压强为50mpa，以100℃/分的升温速率，升温至1050℃后，保温保压10分钟，随炉冷却,即得氧化物弥散强化奥氏体钢。
42.对本实施例制备的氧化物弥散强化奥氏体钢进行取样检测。其中图7为晶粒分布sem图，平均晶粒尺寸为1.58μm，对比实施例2，尺寸有较大幅度增加，这是因为球磨过程中转速较低，间歇较为频繁，使得y2o3生成的热力学不足，最后生成量较少，在烧结过程中对晶粒生长的钉扎作用较弱导致的；此外如图7中所示，y2o3在基体中分布极为稀少。
43.实施例4
44.称取质量分数为99.48％的粒径为75μm的316l预合金粉放入至球磨罐中，然后向球磨罐中添加质量分数为0.400％的平均粒径为50μm的纯y粉和0.350％的平均粒径为100nm的fe2o3粉，然后向球磨罐中放入304不锈钢球作为研磨介质，球料比6：1，其中直径为6mm和10mm的不锈钢球重量比为4：1。接着把装有钢球和粉末的球磨罐在手套箱中充氩气并封装，使得球磨过程在氩气的环境下进行。球磨采用南京南大仪器厂生产的qm
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3sp4型行星式高能球磨机。球磨转速选为300转/分，球磨时间选为36小时。此外，考虑到球磨罐及钢球的承受能力，防止在高能球磨的过程中的严重发热，球磨模式为间歇式运行，每球磨1.5小时，停歇0.5小时，然后继续运行。球磨后的粉末装入直径为20mm的石墨模具中，在上下冲头和模具之间分别加入一张石墨纸。接着对炉腔进行抽真空处理和对模具进行加压，压强为50mpa，以100℃/分的升温速率，升温至1050℃后，保温保压10分钟，随炉冷却,即得氧化物
弥散强化奥氏体钢。
45.对本实施例制备的氧化物弥散强化奥氏体钢进行取样检测。平均晶粒尺寸为1.48μm，由于添加的y和f2o3含量较多，导致生成的y2o3较多。而过多的y2o3容易在烧结过程中团聚粗化成尺寸更大的颗粒，这种大颗粒在对位错和晶界钉扎时，十分容易脱落，降低了强化的效果。
46.对比例1
47.本对比例的方法同实施例2，不同之处仅在于，不加入y和fe2o3粉末。
48.图8为实施例1
‑
4和对比例1进行拉伸实验的应力应变曲线图示，从图8可以看出，实施例1
‑
4的抗拉强度明显高于对比例1，这是因为在受到拉伸的过程中，反应生成的y2o3对位错滑移和晶界迁移起到了钉扎和阻碍的作用。
49.对比例2
50.本对比例的方法同实施例2，不同之处仅在于，无保温保压过程。
51.在该条件下，由于没有保温保压过程，粉末间空隙内的气体未能充分排除，粉末之间连接处十分薄弱，烧结得到的块体致密度极低，无法进行拉伸强度的测试。
52.对比例3
53.本对比例的方法同实施例2，不同之处仅在于，球磨转速选为600转/分。
54.在该条件下，由于转速过高，使得本来就相对较软的奥氏体粉末严重附着在球磨罐内壁和磨球上，导致出粉率极低，无法进行后续的烧结和测试表征。
55.对比例4
56.本对比例的方法同实施例2，不同之处仅在于，球磨转速选为100转/分。
57.在该条件下，球磨转速过低，导致罐体内的球磨强度严重不足，在不能顺利生成y2o3的同时，也无法有效的实现粉末的均匀混合。
58.对比例5
59.本对比例的方法同实施例3，不同之处仅在于，球料比为1:15。在该条件下，由于球料比过高，极大增加了罐内磨球间和与罐壁间的碰撞频率，球磨强度显著增加，使本来就相对较软的奥氏体粉末严重附着在球磨罐内壁和磨球上，导致出粉率极低，无法进行后续的烧结和测试表征。
60.对比例6
61.本对比例的方法同实施例3，不同之处仅在于，球磨时间为100小时。在该条件下，过长时间的球磨严重增加了磨球和球磨罐的磨损，导致粉末中杂质的增加。
62.对上述实施例1
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4获得的复合材料进行试样处理,获得符合测试要求的拉伸试样。拉伸性能测试在拉伸机(美特斯工业系统(中国)有限公司，型号为cmt5105)上进行，测试条件中，温度为常温，拉伸速率为0.48mm/分。除测试之外,对经过抛光的试样腐蚀处理,进行微观组织观察和分析。使用sem(日本日立公司生产，型号为s4800)和tem(日本jeol公司生产，型号为jem
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2100f)进行组织表征。
63.表1性能对比表
64.室温屈服强度/mpa抗拉强度/mpa伸长率/％实施例144186017.0实施例245786520.5
实施例341683621.0实施例445283422.0对比例142472221.5对比例2———对比例3———对比例441369218.5对比例5
‑‑‑
对比例643782416.0
65.从表1发现，通过与对比例1
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6比较，可得本发明中通过反应球磨得到的纳米级y2o3颗粒的加入使得该材料在并未损失较多塑性的条件下，抗拉强度有了明显的提升，因此，采用间歇式球磨、限定原料比、球磨转速和时间，并适当延长烧结过程中的保温保压时间，有利于提高材料的致密度和塑性；图8为实施例1
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4和对比例1在室温条件下的应力应变曲线，可以看出实施例1
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4的最大抗拉强度和屈服强度明显高于对比例1。
66.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。