具有纳米团簇和位错、孪晶亚结构的铁基合金的制备方法与流程

本发明属高铬铁素体耐热钢生产技术领域，特别提供一种塑性变形(热轧)调控增强相再析出、亚结构增殖的组织控制方法。通过热轧工艺实现均匀分布纳米团簇增强相和位错、孪晶亚结构强化铁基合金。与同类材料的制备工艺相比，该方法流程较短，在不热处理的条件下实现了微观组织调控，确保了材料力学性能的提高。

背景技术：

纳米增强铁基合金是一种以铁铬合金为基体、纳米团簇为增强相的新型合金，该合金具有优异的高温蠕变强度、耐辐照以及抗氧化和耐腐蚀等综合性能，是热力机械(发动机、汽轮机等)、电力、航空航天和石油化工等方面的关键材料，在国防、民用领域中占有重要的地位。

通常，该材料通过粉末冶金技术制备(机械球磨和热压烧结)，然而，该制备工艺存在纳米团簇的长大较难控制、烧结坯体致密度不足等问题，最终影响材料力学性能提升。热压烧结时纳米团簇的形核和生长是一个非常迅速的过程，其粗化行为难以控制。并且，烧结后组织中存在一定程度的孔隙致使材料致密度不足。alinger等人指出在连续加热过程中纳米增强相在相对较短时间内可由形核(～2nm)长大至数十纳米^[1]。该粗化行为降低了纳米增强相的强化效果。

塑性变形(热轧)可改进机械球磨、热压烧结工艺的不足，可实现有效调控增强相析出行为和亚结构增殖，进而提高纳米增强铁基合金材料力学性能。传统的热轧工艺一般包含轧前预热、轧制、冷却和轧后热处理等步骤。该工艺通过轧前预热使得增强相组元(cu^[2],nb,v,c,n^[3])溶解，轧制过程发生强烈塑性变形，轧后采取热处理手段调控增强相析出实现强韧化材料。cn105734437a公布了一种纳米级棒状铜析出相强韧化海洋用钢板，介绍了轧制、退火热处理工艺制备纳米铜析出相强化钢铁的方法。cn106086630a公布了一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板，介绍了轧制、时效处理获得了纳米析出相。然而，现有的热轧工艺完成后需要进行后续的热处理以实现组织调控，获得析出的增强相，工艺流程较长，限制了实际生产应用。因此，改善轧制工艺，缩短工艺流程，调控增强相析出，对同类材料的推广应用具有重要意义。

技术实现要素：

针对目前铁基合金热轧工艺流程较长，增强相尺寸不易调控，进而难以获得良好力学性能等问题，本发明提出一种均匀分布纳米团簇和位错、孪晶亚结构强化铁基合金及制备方法，该方法通过塑性变形(热轧)调控增强相再析出、亚结构增殖，不进行轧后热处理工艺，缩短工艺流程，实现均匀分布的增强相和亚结构增殖，以提高材料力学性能。该方法具有流程短、纳米增强相尺寸细小、分布均匀、材料性能好等优点。

本发明的技术方案如下:

一种具有纳米团簇和位错、孪晶亚结构的铁基合金的制备方法，步骤如下：

(1)选择热压烧结态纳米增强铁基合金为初始材料，通过机械加工获得30～50mm厚块材；

(2)固溶处理：温度1150～1280℃，保温时间为30～60分钟，该过程在氩气和氮气的混合气氛中进行；

(3)轧前保温：将固溶完毕的材料放置于保温炉，温度900～1000℃，保温时间为15～30分钟；

(4)轧制实施：利用轧机进行多道次轧制，轧制过程中每道次变形量为5％-10％，压下量为15％～85％；

(5)轧后冷却：将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却；得到具有纳米团簇和位错、孪晶亚结构的铁基合金。

所述步骤(2)氩气占体积比例为10％～35％。

所述步骤(5)硅酸钠占体积比例为5％～15％。

所述步骤(4)轧制道次为3～8。

以铁基粉末为基体，经热轧后得到具备纤维状晶粒，并且基体中均匀分布mg‐al‐x‐o纳米团簇以及位错、孪晶亚结构的铁基合金材料；压下量低于30％时，从热压烧结态680mpa到30％压下量795mpa；压下量超过30％后，从30％压下量795mpa到85％压下量1398mpa。

组织观察和拉伸性能测试：(a)组织形貌：通过光学显微镜和透射电镜发现，与烧结坯体组织(等轴晶粒)不同，轧制后的组织为典型的纤维组织，如图2所示，可见沿轧制方向形变的晶粒，并且，基体中的增强相尺寸更细小、分布密度更高；(b)拉伸性能测试：针对烧结态和不同压下量(15％,30％，50％，70％，85％)的试样进行拉伸测试，抗拉强度分别为：680mpa、785mpa、795mpa、920mpa、1100mpa、1398mpa(见图13)；

本发明优点和效果说明如下：

1.均匀分布的纳米团簇和位错、孪晶亚结构有助于提高该材料力学性能。

本发明针对热压烧结态纳米增强铁基合金进行组织调控，实施了固溶、热轧、轧后冷却等工艺，利用金相显微镜和透射电镜观察热轧组织形貌，并进行了拉伸性能测试。结果表明，与烧结坯体组织(见图1)不同，塑性变形后纳米团簇发生了再析出行为，其尺寸更细小、分布密度更高(见图9～12)，进一步研究发现这些纳米团簇成分、结构变得更加复杂(其物相变化为mg-al-x-o，其中x代表w、y和v等，见图14)。力学性能测试结果表明抗拉强度为1398mpa、延伸率为17.3％，相比烧结坯体性能明显提高。增强相再析出与轧制过程密切相关，轧制实施前的加热(1150～1280℃)导致原位合成的mg-al-o纳米团簇发生溶解，其次，塑性变形在基体中引入了大量缺陷(如位错、孪晶，见图7和图8)，为后续纳米团簇再析出准备了大量有利的形核位置，同时，再析出纳米团簇(mg-al-x-o)组成组元、结构的变化可能与合金元素在高温时的扩散有关。

组织形貌和性能测试结果表明，塑性变形(热轧)可改进机械球磨、热压烧结工艺的不足，有效提高纳米团簇增强铁基合金材料性能，其本质是调控增强相析出行为和亚结构形成。

2.本发明在原材料选择上，合金元素较少(cr,w)，选用mg‐al‐x‐o为增强相,制备工艺流程较短，轧后不采用热处理，这些因素都有利于降低该材料的生产成本，具有非常广阔的应用推广前景。

表1：化学成分

附图说明

图1：热压烧结态的透射组织(等轴晶粒)；

图2：15％压下量样品的透射组织；

图3：30％压下量样品的透射组织；

图4：50％压下量样品的透射组织；

图5：70％压下量样品的透射组织；

图6：85％压下量样品的透射组织；

图7：组织中的位错缠结；

图8：组织中的孪晶亚结构；

图9：30％压下量样品中的增强相分布；

图10：50％压下量样品中的增强相分布；

图11：70％压下量样品中的增强相分布；

图12：85％压下量样品中的增强相分布

图13：热压烧结态和不同压下量试样的拉伸测试结果；

图14：轧制合金中纳米团簇的三维原子探针层析(apt)测试结果。

具体实施方式

实施例1：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为200*100*30(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1150℃，保温30分钟，氩气占体积比例为10％，出炉后迅速放入温度为900℃保温炉中，保温15分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行轧制试验，每道次变形量为5％，获得15％压下量的轧板。将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却(硅酸钠占体积比例为5％)。使用金相显微镜和透射电镜对样品进行组织分析(见图2)。其组织为典型的纤维组织，抗拉强度为785mpa(见图13)。

实施例2：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为200*100*40(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1180℃，保温45分钟，氩气占体积比例为35％，出炉后迅速放入温度为950℃保温炉中，保温20分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行轧制试验，每道次变形量为8％，获得30％压下量的轧板。将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却(硅酸钠占体积比例为10％)。使用金相显微镜和透射电镜对样品进行组织分析(见图3)。其组织为典型的纤维组织，抗拉强度为795mpa(见图13)。

实施例3：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为200*100*50(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1280℃，保温60分钟，氩气占体积比例为20％，出炉后迅速放入温度为1000℃保温炉中，保温30分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行轧制试验，每道次变形量为10％，获得50％压下量的轧板。将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却(硅酸钠占体积比例为15％)。使用金相显微镜和透射电镜对样品进行组织分析(见图4)。其组织为典型的纤维组织，抗拉强度为920mpa(见图13)。

实施例4：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为200*100*45(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1200℃，保温50分钟，氩气占体积比例为18％，出炉后迅速放入温度为950℃保温炉中，保温20分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行轧制试验，每道次变形量为10％，获得70％压下量的轧板。将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却(硅酸钠占体积比例为10％)。使用金相显微镜和透射电镜对样品进行组织分析(见图5)。其组织为典型的纤维组织，抗拉强度为1100mpa(见图13)。

实施例5：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为200*100*30(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1180℃，保温40分钟，氩气占体积比例为30％，出炉后迅速放入温度为980℃保温炉中，保温25分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行轧制试验，每道次变形量为10％，获得85％压下量的轧板。将轧制完毕后的板块迅速放入硅酸钠水溶液冷却(硅酸钠占体积比例为12％)。使用金相显微镜和透射电镜对样品进行组织分析(见图6)。其组织为典型的纤维组织，抗拉强度为1398mpa(见图13)。

纳米增强铁基合金热轧试验：

将热压烧结态纳米增强铁基合金机械加工为5片200*100*30(mm)板块试样，将试样放入马弗炉加热至1150～1280℃，保温30～60分钟，出炉后迅速放入温度为900～1000℃保温炉中，保温15～30分钟。将板块试样取出，实施多道次连轧。对热压烧结态纳米增强铁基合金进行不同变形量的轧制试验，每道次变形量为5％‐10％，分别获得15％，30％，50％，70％，85％压下量的轧板。使用金相显微镜和透射电镜对不同变形量样品进行组织分析(见图1‐12)。

热压烧结态组织是完全铁素体等轴晶组织(见图1)，轧制后的组织为典型的纤维组织(见图2～6)。随着压下量的增大，等轴晶粒形变量增大，逐渐转变为狭长型的晶粒。同时，组织中出现了高密度位错缠结(见图7)和孪晶(见图8)亚结构。塑性变形导致增强相尺寸更细小、分布密度更高，并使得纳米团簇成分、结构变得更加复杂。从图9到图12可以看出，压下量的增大获得了更为细小、更高密度分布的纳米团簇。这说明，热轧过程中出现了增强相的再析出行为。三维原子探针层析(apt)测试结果(见图14)发现，这些纳米团簇成分已发生改变，其物相变化为mg-al-x-o，其中x代表w、y和v等。对不同压下量样品抗拉强度进行测定，发现:压下量低于30％时，抗拉强度有一定提高，从热压烧结态(680mpa)到30％压下量(795mpa)，材料力学性能提高了17％；压下量超过30％后，其抗拉强度明显提高，从30％压下量(795mpa)到85％压下量(1398mpa)，材料力学性能提高了55％(见图13)。

参考文献:

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[2]q.d.liu,s.j.zhao,cuprecipitationondislocationandinterfaceinquench-agedsteel,mrscommunications,2012,2:127～132

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