一种ods铁素体不锈钢的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粉末冶金材料技术领域，尤其涉及一种ODS铁素体不锈钢的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 在聚变反应堆中，第一壁包层的工作环境非常恶劣，因此不仅要求第一壁包层材 料具有良好的抗氧化性、高温抗蠕变性能，而且还要有非常好的抗辐照损伤性能。目前核 反应堆工作温度为250~300°C，工作压力为7~15MPa，辐照剂量为10-25dpa。未来第四 代核反应堆工作温度可达到600~1100°C，工作压力可达到24MPa，辐照剂量高达150~ 200dpa。目前核电站广泛使用的包壳材料为锆（Zr)合金，但Zr合金的机械性能较差，并存 在严重的辐照肿胀问题，不能满足新型核能系统反应堆燃料包壳的要求。研究者筛选出了 两类燃料包壳的候选材料，分别是镍基合金和铁基不锈钢（包括奥氏体不锈钢、低活性的 铁素体/马氏体钢（F/M双相钢）以及铁素体不锈钢等）。研究表明：与Ni基合金和奥氏体 不锈钢相比，铁素体不锈钢具有更优良的抗肿胀性能；与F/M双相钢相比，铁素体不锈钢具 有较高的抗高温蠕变性能。在铁素体不锈钢中引入弥散分布的氧化物颗粒（如Y 2〇3、Ti02、 Zr02、Al203以及MgO等）可以显著提高铁素体不锈钢的抗高温蠕变性能，这类氧化物弥散强 化的铁素体不锈钢称为ODS铁素体钢。其中，Y 2O3具有优异的高温相结构稳定性、很低的中 子吸收界面，是制备ODS铁素体钢的理想添加相。截止目前，添加 Y2O3的ODS铁素体钢被认 为是第四代核能系统反应堆第一壁包层最具潜力的候选材料。
[0003] ODS铁素体不锈钢的制备工艺关键在于如何将纳米氧化物颗粒均匀地分散到铁基 体中。传统ODS铁素体钢以机械合金化（MA)方法为主，如附图1所示，通过高能球磨使Y 2O3 等氧化物颗粒弥散分布在铁基体内，然而传统M法存在球磨时间长、Y2O3易分解反应、含氧 量不易控制以及微观组织复杂等固有缺点。传统的粉末冶金技术（PM)技术可以规避MA方 法的固有缺点，但现有PM技术缺乏对Y 2O3颗粒在铁素体内的尺寸分布和位置分布的控制， 导致制备的ODS铁素体钢强韧性较差。专利申请人在前期对铝基复合材料的研究过程中发 现纳米片状粉末具有特殊的烧结粗化行为，这种特殊的烧结粗化行为显著影响氧化物颗粒 在铝基体内的尺寸分布和位置分布。由此，申请人提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题在于提供一种Y2O3弥散分布的ODS铁素体不锈钢的制备方 法，且制备的ODS铁素体不锈钢的力学性能较好。
[0005] 有鉴于此，本申请提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
[0006] A)，制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W ;
[0007] B)，将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合 金粉末；
[0008] C)，将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y2O3粉末进行混粉 处理，得到复合粉末；
[0009] D)，将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤 压，得到ODS铁素体不锈钢。
[0010] 优选的，所述铁素体不锈钢预合金粉末采用雾化法制备得到。
[0011] 优选的，所述低能球磨为湿磨。
[0012] 优选的，步骤B)中所述低能球磨的磨球直径为10mm、5mm和3mm的淬火钢球，球料 比为20:1，所述低能球磨的转速为150~250rpm，所述低能球磨的时间为5~15h。
[0013] 优选的，步骤A)中所述铁素体不锈钢预合金粉末的平均粒径为100 μπι以下。
[0014] 优选的，所述混粉处理为湿法混粉。
[0015] 优选的，所述ODS铁素体不锈钢中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] 优选的，所述Y2O3粉末的粒径为50nm以下。
[0017] 优选的，所述粉末烧结的温度为1100°C~1300°C，时间为2~5h。
[0018] 优选的，所述热挤压的温度为850°C~1100°C，挤压比为10:1~30:1。
[0019] 本申请提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，其首先将ODS铁素体不锈钢预 合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合金粉末，再将片状铁素体不锈钢预合 金粉末进行过滤，烘干后与Y 2O3粉末进行混粉处理，得到复合粉末，最后将复合粉末进行冷 压、粉末烧结和热挤压，得到ODS铁素体不锈钢。本申请在低能球磨的过程中，由于球磨速 度较低，能量较低，铁素体预合金粉末在球磨过程中不发生机械合金化作用，而发生塑性变 形，使铁素体预合金粉末变成片粉状，提高了铁素体不锈钢预合金粉末的比表面能；再以其 作为基体材料添加 Y2O3粉末，使Y 2〇3均匀地分散到铁素体不锈钢中，最终得到了强度高、韧 性好的ODS铁素体不锈钢。
【附图说明】
[0020] 图1为传统机械合金化法制备ODS铁素体钢的工艺方法示意图；
[0021] 图2为采用本发明制备ODS铁素体钢的工艺方法示意图；
[0022] 图3为随球磨时间增长铁素体不锈钢粉末形貌及尺寸变化的SEM照片；
[0023] 图4为本发明制备氧化物弥散强化ODS铁素体钢的流程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0025] 本发明实施例公开了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
[0026] A)，制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W ;
[0027] B)，将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合 金粉末；
[0028] C)，将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y2O3粉末进行混粉 处理，得到复合粉末；
[0029] D)，将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤 压，得到ODS铁素体不锈钢。
[0030] 如图4所示，图4为本发明制备ODS铁素体不锈钢的流程示意图。根据图4,本申 请制备ODS铁素体不锈钢的过程主要包括：利用低能球磨工艺对铁素体不锈钢预合金粉末 进行活化处理，提高其表面能；其次对片状粉末进行表面改性并与纳米氧化物颗粒进行混 粉；然后除气、固结、烧结处理；最后通过热挤压使铁素体不锈钢致密化，得到了 ODS铁素体 不锈钢。
[0031] 按照本发明，在制备ODS铁素体不锈钢的过程中，首先制备铁素体不锈钢预合金 粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W。所述铁素体不锈钢预合金粉末的平均粒径小于100 微米，颗粒越细小，越有利于烧结性能的提高。本申请所述铁素体不锈钢预合金粉末优选采 用水雾法制备得到。所述铁素体不锈钢中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于 I. 5wt%。
[0032] 本申请将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预 合金粉末。铁素体不锈钢预合金粉末为BCC晶体结构，室温下滑移系多，具有较高的塑性变 形能力。在低能球磨过程中，由于球磨速度较低，能量较低，铁素体不锈钢预合金粉末在球 磨过程中不发生机械合金化作用，而发生塑性变形，也即所谓的微乳制。如附图3所示，图3 为随球磨时间增长铁素体不锈钢粉末形貌及尺寸变化的SEM照片；其中图2a为初始水雾化 410L铁素体不锈钢预合金粉末的SHM照片，图2b为球磨Ih后的预合金粉末的SHM照片，图 2c为球磨3h后的预合金粉末的SEM照片，图2d为球磨7h后的预合金粉末的SEM照片，由 图3可知，在湿磨过程中，铁素体不锈钢预合金粉末在微乳作用下变成片粉状，随着球磨时 间的延长，片状粉末厚度可以细化到纳米级。
[0033] 本申请所述低能球磨优选为湿磨，所述湿磨的助磨剂优选为硬脂酸，所述湿磨的 介质优选为乙稀醇。所述低能球磨的磨球直径为l〇mm、5mm和3mm的淬火钢球，球料比为 20:1，所述低能球磨的转速为150~250rpm，所述低能球磨的时间为5~15h。
[0034] 本发明然后将得到的纳米级片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与 Y2O3粉末进行混粉处理，得到复合粉末。纳米片状铁素体不锈钢预合金粉末具有特殊的烧结 粗化行为，以纳米片状铁素体不锈钢预合金粉末作为基体材料，通过组装Y 2O3粉末，使Y 2〇3 弥散分布于片状铁素体不锈钢预合金粉末表面，有利于获得强度高、韧性好的ODS铁素体 不锈钢。在上述过程中，所述Y2O 3粉末的粒径为50nm以下，Y 203粒径越细，弥散强化效果越 好，最终获得的块体铁素体ODS钢性能越好。所述Y 2O3在铁素体不锈钢中的含量小于或等 于1. 5wt %。本申请所述混粉处理优选为干法混粉或湿法混粉，所述干法混粉是在室温下， 在滚筒球磨机上片状预合金粉末与Y2O 3纳米颗粒进行球磨混合，但是Y 2〇3分散性不好；所 述湿法混粉是对Y2O3纳米颗粒和铁素体片状预合金粉末进行表面处理，如前者羧基化，后 者羟基化，然后在滚筒球磨机上进行混粉。本申请所述混粉处理优选为湿法混粉。
[0035] 按照本发明，再将复合粉末进行冷压，使复合粉末固结成型；然后进行烧结，最后 进行挤压。上述过程中，所述烧结的温度优选为IKKTC~1300°C，所述烧结的时间优选为 2~5h。所述热挤压的温度优选为850~1100 °C，所述热挤压的挤压比优选为10:1~30:1。
[0036] 通过对比图1和图2可知，传统工艺将铁素体钢预合金粉末和Y2O3颗粒一起放入 球磨机，进行高能球磨，在高能球磨过程中Y2O3分解并与铁素体预合金粉末发生反应；而本 申请将铁素体不锈钢预合金粉末进行长时间低能球磨以制备片状预合金粉末，再过滤烘干 收集片状预合金粉末，继而将纳米Y2O 3颗粒和片状预