ODS掺杂碳纳米管诱导马氏体相变，提高强度硬度的方法与流程

本发明属ODS钢生产技术领域，特别涉及一种引入碳纳米管诱导马氏体相变，增强强度和硬度的方法。

背景技术：

铁素体钢具有高辐照稳定性、高抗肿胀性，可应用于聚变能源系统^[1]。氧化物弥散强化(Oxide Disperion Strengthed,ODS)铁素体钢一般是通过机械合金化(Mechanical Alloying,MA)技术使合金基体中弥散分布高稳定性的纳米颗粒而获得^[2]。纳米级颗粒不仅可以阻碍位错的运动，而且可以通过限制阳离子的扩散来阻止合金表面氧化层的增长，提高合金表面氧化层与基体的结合力。因此，ODS化除了提高合金的高温强度外，还可以进一步改善合金的抗氧化、耐腐蚀能力^[3.4]。与传统的铁素体钢相比，ODS铁素体钢具备两个重要性能：(a)具有高辐照稳定性、高抗肿胀性及抗辐照蠕变性；(b)由于纳米氧化物颗粒的均匀分布，表现出优异的高温强度^[5.6]。碳纳米管具有优异的机械性能和物理性能：碳纳米管具有很高的弹性模量，可超过1TPa(金刚石的弹性模量为：1.2TPa)，甚至可以达到1.8TPa^[7.8]；碳纳米管的强度也很高，是钢强度的10-100倍，其弹性应变可达5％，最高可达12％，约为钢60倍^[9.10]，而其密度一般为1-2g/cm³。在2800℃的高温真空环境下，其性质不发生改变，导热性能比金刚石高出2倍。由于优异的机械和物理性能，碳纳米管被广泛应用于复合材料增强相。碳纳米管用于增强金属的研究已有许多报道，如碳纳米管增强镁基，铝基，钴基等，碳纳米管的加入是符合材料的力学和物理性能有所提高[11-13]。但是，碳纳米管用于增强ODS钢的研究并不多，本专利将碳纳米管掺入ODS钢中，来实现ODS钢性能的改善，进一步提高强硬度。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供了一种采用ODS掺杂碳纳米管诱导马氏体相变，提高强度硬度的方法，ODS体系根据化学成分不同涉及到种类较多，其中典型的ODS铁素体钢的化学成分有Fe-9Cr、Fe-12Cr、Fe-14Cr、Fe-20Cr，其他合金元素如Ti、W、Ta、C的添加能赋予ODS钢更优异的性能，为了实现本发明的目的，具体技术方案如下：

一种采用ODS掺杂碳纳米管诱导马氏体相变，提高强度硬度的方法，步骤如下：

(1)按ODS铁素体钢的化学成分称量原材料，熔融后进行雾化，形成预合金粉末；

(2)将预合金粉与球料进行球麽，氩气气氛保护下球磨40-48小时，加入碳纳米管后再球磨5-6小时；

(3)进行真空等离子热压烧结，得到ODS掺杂碳纳米管试样。

所述预合金粉与球料质量比为1:10-1:15。

所述球麽转速为360-400r/min。

所述加入碳纳米管量为混合粉末的0.2‐0.6％wt

所述真空等离子热压烧结，条件是在1100-1150℃保温5-8min，压力为40Mpa。

本发明的主旨是是将碳纳米管掺杂在ODS钢中，对ODS钢进行强化，碳纳米管作为增强体使ODS钢的强硬度提高，本发明特点在于在ODS钢中掺入碳纳米管，碳纳米管作为增强体可改善基体性能，同时碳纳米管融入基体在烧结过程中微区产生马氏体相变，有效提高强度和硬度，添加碳纳米管前硬度为245.37HV，抗拉强度为538.25Mpa，添加碳纳米管后硬度可达到699.4HV，强度可达到610.5Mpa。

附图说明

图1试样烧结后，碳纳米管在基体中分布图；

图2烧结后的试样中典型的马氏体板条的透射电镜照片图；

图3烧结后基体中的碳纳米管团簇图；

图4烧结后试样的拉曼光谱图；

图5原始碳纳米管的拉曼光谱图；

图6球磨后粉末的差热分析曲线图。

具体实施方式

以下为本发明的具体实施案例，本发明以Fe-14Cr-2W-0.2V-0.07Ta为例：

(1)按照表1所给出Fe-14Cr的成分称量原材料，熔融后进行雾化，形成预合金粉末。

(2)将Fe-14Cr预合金粉末按照球料比为1:10-1:15，转速为360-400r/min，氩气气氛保护下球磨40-48小时，加入碳纳米管后再球磨5-6小时。

(3)进行真空等离子热压烧结，在1100-1150℃保温5-8min，压力为40Mpa。经过烧结的试样直径为20mm，高度约为4mm。

但本发明不限于下述实施例。

实施例1：将Fe-14Cr预合金粉末加入质量分数为0.3％的Y₂O₃按照球料比为1:10，即每个球磨罐中11.94g预合金粉末，0.036gY₂O₃，120g钢球，转速为360r/min，氩气气氛保护下球磨40小时，加入质量分数为混合粉末0.2％的碳纳米管即0.024g，再球磨5小时。随后进行真空等离子热压烧结，在1100℃保温5min，压力为40Mpa，得到烧结试样。

采用该工艺增强的ODS钢硬度由245.37HV增加至379.92HV，强度由528.25Mpa增加至550.33Mpa。

实施例2：将Fe-14Cr预合金粉末加入质量分数为0.3％的Y₂O₃按照球料比为1:12，即每个球磨罐中11.928g预合金粉末，0.036gY₂O₃，144g钢球，转速为380r/min，氩气气氛保护下球磨45小时，加入质量分数为混合粉末0.3％的碳纳米管即0.036g，再球磨6小时。随后进行真空等离子热压烧结，在1100℃保温7min，压力为40Mpa，得到烧结试样。

采用该工艺增强的ODS钢硬度由245.37HV增加至463.84HV，强度由528.25Mpa增加至566.15Mpa。

实施例3：将Fe-14Cr预合金粉末加入质量分数为0.3％的Y₂O₃按照球料比为1:15，即每个球磨罐中11.916g预合金粉末，0.036gY₂O₃，180g钢球，转速为400r/min，氩气气氛保护下球磨48小时，加入质量分数为混合粉末0.4％的碳纳米管即0.048g，再球磨6小时。随后进行真空等离子热压烧结，在1150℃保温8min，压力为40Mpa，得到烧结试样。

采用该工艺增强的ODS钢硬度由245.37HV增加至699.44HV，强度由528.25Mpa增加至610.50Mpa。

由图1可以看到碳纳米管在基体中的分布，通过图4拉曼光谱可以看到碳纳米管的G峰1580和D峰1360，说明基体仍然存在结构完整的碳纳米管，可以看出碳纳米管在掺杂过程中可以存在。另一方面，通过诱导马氏体相变来提高强硬度。通过图4和图5的对比，由拉曼光谱可以看到碳纳米管的G峰1580和D峰1360，D与G比值越小，则样品中完整有序碳纳米管的相对含量就越高、纯度就越大，碳纳米管阵列的石墨化越好，无定形碳杂质越少，说明基体仍然存在结构完整的碳纳米管，但是完整碳纳米管的比例降低。由图3看出，碳纳米管在球磨过程中会碎化，碳原子扩散，使得小范围内碳含量升高，在烧结过程中诱导马氏体相变，从而提高强度和硬度，图2可以看到典型的马氏体板条，图6的差热分析曲线的可看到在240℃左右明显的马氏体放热峰，对试样进行微型试样拉伸和维氏硬度测量，结果发现，采用上述工艺增强的ODS钢强度和硬度显著提高。

尽管上面结合实例对本发明进行了描述，但是本发明并不局限与上述具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性，而不是限制性，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

设备信息

透射：日本电子JEM-2100F透射电子显微镜

XRD：德国布鲁克D8Advanced X射线衍射仪

硬度：上海恒一MH-6L显微硬度计

微型试样拉伸：CSS-2210长春试验机研究所

拉曼光谱：英国RENISHAW inVia reflex

DSC:宁波天恒仪器厂

参考文献

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