专利名称：一种制备氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法
技术领域：
本发明属于氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened, ODS)合金粉末 制备技术领域，特别是提供了一种通过高能球磨实现氧化物、氮元素、纯金属粉 末的机械合金化，获得近球形含氮ODS不锈钢粉末的方法。
背景技术：
奥氏体不锈钢以其良好的综合力学性能、优良的抗蚀性能、抗氧化性能、易 加工成型等优点成为第四代核能反应堆，如超临界水冷堆燃料包壳的候选材料之 一。但是，奥氏体不锈钢的高温力学性能、抗高温蠕变能力不能满足其使用要求。 氧化物颗粒弥散强化是提高合金钢高温力学性能、抗辐照能力的有效手段，氧化 物弥散强化的铁素体/马氏体钢成为研究热点(见L.K. Mansur， A.F. Rowcliffe, R.K. Nanstad, S丄Zinkle,W.R. Corwin, R.E. Stoller. Journal of Nuclear Materials 329 - 333 (2004) 166 - 172)。但是在奥氏体不锈钢中的应用还刚刚起步。与传统合金中的强 化相如碳化物、晶间相相比，氧化物弥散颗粒在高温下的性能要稳定的多；这些 弥散分布在基体中的氧化物颗粒作为位错移动的阻力可以有效改善合金的抗蠕变 能力和高温强度，另外，弥散分布在基体中的氧化物颗粒可以阻碍再结晶过程的 进行，容易获得稳定的晶粒尺寸。不锈钢中的氧化物弥散相通常通过机械合金化 的方法引入。机械合金化主要通过高能球磨的方式实现。与其它合金化方法相比， 机械合金化具有成本低、易操作、常温下即可实现合金化等优点，而且在球磨罐 中可以充入不同的气氛，除惰性气体外，在球磨过程中可以使气体的原子参与被 球磨物质发生的固相反应；另外，在原料粉中加入氧化物颗粒，在球磨过程中， 混合的原料粉末在球与球、球与壁、球与粉末之间的高速、反复撞击下承受冲击、 剪切、摩擦和压縮多种力的作用，经历反复的挤压、冷焊及粉碎过程进而实现合 金化，使得细小氧化物颗粒的弥散分布在基体合金中。
在奥氏体不锈钢中引入氮，可以稳定奥氏体组织、有效的提高钢的强度、韧 性、加工硬化能力，使钢达到很好的强韧性配合，并且提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能,如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。含氮奥氏体不锈钢以其优 越的力学性能和耐蚀性能获得了各国科研工作者的青睐。自20世纪80年代以来， 掀起了研究含氮奥氏体不锈钢的热潮。含氮奥氏体不锈钢根据含氮量可分为控氮 型(N含量为0.05-0.10wt。/。)、中氮型(N含量为0.10-0.40wt。/。)和高氮型(N含量高 于0.40wt。/。)。国内外制备含氮奥氏体不锈钢的主要方法有加压感应熔炼、加压等 离子熔炼、加压电渣熔炼、反压铸造等。这些方法的普遍缺点是设备复杂、工艺 控制困难、成本过高。近年来粉末冶金方法开始被应用于含氮不锈钢的研究。与 用熔炼的方法制备含氮不锈钢相比，粉末冶金方法具有设备简单、成本低、安全 性好、易实现等优点。其中机械合金化是较为常用的粉末冶金方法之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用机械合金化法制备含氮ODS奥氏体不锈钢的方 法。用机械合金化法制备的含氮ODS奥氏体不锈钢粉末成分均匀，在110(TC退火 后室温下获得完全奥氏体组织。这种方法能够同时实现奥氏体不锈钢的氮元素固 溶强化和氧化物弥散强化(ODS)。
本发明制备含氮ODS奥氏体不锈钢的制备工艺为 一种制备氧化物弥散强化 型奥氏体不锈钢的方法，其特征将Fe、 Cr、 Ni、 W、 Ti的纯金属元素粉末与纳米 Y203粉末按比例混合，其中Cr: 17-19%， Ni: 7-9%， W: 1.5-2.5%， Ti: 0.5-1.0%， Y203: 0.3-0.6%，余量为Fe，然后装入球磨罐中，抽真空后充入高纯氮气，在行 星式高能球磨机中球磨30~120h，不包含停机时间，每球磨5h，停机lh，球磨转 速为380r/min，球料比为10 : 1。在高能球磨过程中，各混合粉末随着球磨时间的 延长实现机械合金化。通过改变球磨时间可以获得不同氮含量的含氮不锈钢粉末， 通过热压或热等静压等方法烧结后即得含氮ODS奥氏体不锈钢。
本发明的另一个技术方案是上述的高纯氮气压力为0—l.Oatm，通过改变氮气 压力可以获得不同氮含量的不锈钢粉末。
本发明的优点
1.制备的含氮ODS奥氏体不锈钢粉末成分均匀，含氮量可在0-1.05%之间变化。 通过机械合金化这一过程，可以在奥氏体不锈钢中同时实现氮的固溶强化和氧化物弥散强化(ODS)，提高奥氏体不锈钢的高温力学性能和耐蚀性能。
2. 制备的含氮ODS奥氏体不锈钢粉末粒度细小(5-25pm)，粒度分布范围窄，所 得粉末颗粒具有较高的球形度，利于在烧结时获得较高密度。
3. 本发明设备简单、成本低、易操作。
图1 l.Oatm氮气压力下氮含量随球磨时间的变化 图2 1.0atm氮气压力下球磨90h粉末的表面形貌 图3热压烧结ODS奥氏体不锈钢钢块
具体实施方式
实施例l
实验所用原料为Fe、 Cr、 Ni、 W、 Ti的纯金属粉末和纳米Y203粉末，所用粉 末的纯度均大于99.9%。其中，Fe、 Cr、 Ni、 Ti粉末的粒度为-200目，W粉的平 均粒度为2 pm， Y203粉末的平均粒度为30 nm。上述粉末按成分配比为 Fe-18Cr-8Ni-2W-lTi-0.35Y2O3分别称量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮气， 氮气的压力分别为Oatm (即真空，真空度为5Pa)、 0.5 atm禾口 1.0 atm。球料比为 10: 1、转速为380r/min，球磨时间控制为30h， 60h， 90h， 120h。采用堕气脉冲 红外导热法(ASTME1019-2003)测粉末的实际含氮量。固定球磨时间为60h时， 在0atm氮气压力下，粉末的含氮量为0%，即没有氮参与粉末的合金化；当球磨 罐中充入的氮气压力为0.5 atm时，粉末的含氮量为0.52%;球磨罐中的氮气压力 为latm时，粉末的含氮量高达0.85%。充入氮气压力为1.0atm时，球磨时间延长 至120h时，含氮量高达1.05%。在l.Oatm氮气压力下，球磨不同时间后的氮含量 如图1所示。根据具体要求，通过调节充入球磨罐中的氮压大小和球磨时间即可 获得不同含氮量的不锈钢粉末，所得粉末颗粒粒度分布范围窄，颗粒具有较高的 球形度如图2所示。将机械合金化的粉末热压烧结后可得到含氮ODS奥氏体不锈 钢。如图3所示，以含氮量为0.85%的粉末为例，在120(TC， 80MPa,保温2h的 热压条件下，可获得相对密度98.5%的含氮ODS奥氏体不锈钢样品。实施例2
实验所用原料为Fe、 Cr、 Ni、 W、 Ti的纯金属粉末和纳米Y203粉末，所用粉 末的纯度均大于99.9%。其中，Fe、 Cr、 Ni、 Ti粉末的粒度为-200目，W粉的平 均粒度为2 pm， ￥203粉末的平均粒度为30 nm。上述粉末按成分配比为 Fe-17.5Cr-7.5Ni-1.5W-0.5Ti-0.35Y2O3分别称量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入 氮气，充入氮气的压力为l.Oatm。球料比为10 : 1、转速为380r/min，球磨时间控 制为60h球磨后含氮量为0.85%,将机械合金化的粉末在1200°C， 80MPa，保温 2h的热压条件下进行烧结，可获得相对密度98.2%的含氮ODS奥氏体不锈钢样品。
实施例3
实验所用原料为Fe、 Cr、 Ni、 W、 Ti的纯金属粉末和纳米Y203粉末，所用粉 末的纯度均大于99.9%。其中，Fe、 Cr、 Ni、 Ti粉末的粒度为-200目，W粉的平 均粒度为2 pm， ￥203粉末的平均粒度为30 nm。上述粉末按成分配比为 Fe-19Cr-8.5Ni-2.5W-lTi-0.60Y2O3分别称量混合后放入球磨罐中，抽真空后进行球 磨，球料比为10:1、转速为380r/min，球磨时间控制为60h。将机械合金化的粉 末在IIO(TC， 200MPa，保温3h的热等静压条件下，可获得相对密度98.8%的ODS 奥氏体不锈钢样品。
权利要求
1.一种制备氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法，其特征将Fe、Cr、Ni、W、Ti的纯金属元素粉末与纳米Y2O3粉末按比例混合，其中Cr17-19％，Ni7-9％，W1.5-2.5％，Ti0.5-1.0％，Y2O30.3-0.6％，余量为Fe，然后装入球磨罐中，抽真空后充入高纯氮气，在行星式高能球磨机中球磨30～120h，不包含停机时间，每球磨5h，停机1h。
2. 按照权利要求1所述的一种制备氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法， 其特征是所述的高纯氮气压力为0—1.0 atm。
全文摘要
本发明提供了一种用机械合金化法制备含氮氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法。其特征在于用Fe、Cr、Ni、W、Ti的纯金属元素粉末与纳米Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉末按一定比例混合，其中Cr17-19％，Ni7-9％，W1.5-2.5％，Ti0.5-1.0％，Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>0.3-0.6％，余量为Fe，混合粉末装入球磨罐中，抽真空后充入高纯氮气，在行星式高能球磨机中球磨30～120h，不包含停机时间。每球磨5h，停机1h，防止球磨罐温度过高。通过控制球磨气氛“氮气”压力的大小和球磨时间，可以获得不同含氮量的ODS奥氏体不锈钢粉末，烧结后制得含氮ODS奥氏体不锈钢。这种方法制备的奥氏体不锈钢可同时实现氮的固溶强化和氧化物弥散强化，能够在很大程度上改善奥氏体不锈钢在高温环境下的服役能力。
文档编号C22C33/02GK101538674SQ200910083638
公开日2009年9月23日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者培 何, 周张健, 明 李, 许迎利 申请人:北京科技大学