粉末锻造制备氧化物弥散强化合金的方法与流程

本发明属于粉末冶金领域，特别提供一种氧化物弥散强化合金的粉末锻造成形方法。

背景技术：

氧化物弥散强化合金具有优异的室温高温强度，优越的抗辐照，低肿胀，高温蠕变，抗氧化耐腐蚀性能，可用于火力发电材料及发动机燃烧室材料，是核聚变反应堆第一壁和先进裂变反应堆包壳的候选材料。

氧化物弥散强化合金具有优异性能的主要原因是由于均匀弥散分布在其基体中细小的y-al-o、y-ti-o等纳米析出第二相，作为强化质点钉扎晶界和位错，并且作为缺陷尾闾吸引氦泡形核，避免氦泡长大。

目前，氧化物弥散强化合金的制备主要采用含氧金属粉末热等静压+热锻的方式达到所需尺寸要求，热等静压设备要求高，成形周期长，成本花费大。合金在高温条件下保温时间长，第二相氧化颗粒较易长大，失去强化的作用。

技术实现要素：

本发明旨在缩短工作周期，降低工作成本，提供一种工艺简单、效率高、产品性能优异且稳定的氧化物弥散强化合金的制备方法。

本发明技术方案如下：

粉末锻造制备氧化物弥散强化合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、对合金粉末进行预处理；

2)、将经过预处理的合金粉末装入低碳钢包套，抽真空除气后焊接密封；

3)、直接采用粉末锻造工艺使合金热固化，去除包套后，获得性能良好的氧化物弥散强化合金；该合金组织均匀，并弥散分布着细小的第二相粒子。

本发明所述粉末锻造制备氧化物弥散强化合金的方法，其特征在于：

步骤1)中，所述合金粉末的预处理方法为：采用铁基或镍基预合金粉末与y2o3粉末混合，机械球磨后得到含钇的铁基或镍基合金粉末；或采用内氧化法处理得到含钇的铁基或镍基合金粉末，其中：

其中机械合金化方法所用到的铁基合金粉末的成分为：cr9.0～25.0wt％，al0.0～8.0wt％，ti0.0～0.6wt％，w0.0～2.5wt％，ta0.0～0.2wt％，v0.0～0.5wt％，zr0.0～0.5wt％，mn0.0～0.6wt％，si0.0～0.2wt％，其余为fe；镍基合金粉末的成分为：cr5.0～30.0wt％，co0.0～15.0wt％，fe0.0～10.0％，al0.0～8.0wt％，ti0.0～3.0wt％，w0.0～2.5wt％，ta0.0～0.2wt％，zr0.0～0.5wt％，mn0.0～0.6wt％，si0.0～0.2wt％，其余为ni；

内氧化方法中所用到的含钇铁基合金粉末的成分为：cr9.0～25.0wt％，al0.0～8.0wt％，ti0.0～0.6wt％，w0.0～2.5wt％，ta0.0～0.2wt％，v0.0～0.5wt％，zr0.0～0.5wt％，mn0.0～0.6wt％，si0.0～0.2wt％，y0.1～1.0wt％，其余为fe；含钇的镍基合金粉末的成分为：cr5.0～30.0wt％，co0.0～15.0wt％，fe0.0～10.0％，al0.0～8.0wt％，ti0.0～3.0wt％，w0.0～2.5wt％，ta0.0～0.2wt％，zr0.0～0.5wt％，mn0.0～0.6wt％，si0.0～0.2wt％，y0.1～1.0wt％，其余为ni。

该预处理的目的在于使含钇预合金粉末中引入氧元素。所得含钇的铁基或者镍基预合金粉末的粒度≤150μm(优选为≤100μm)。

所述机械球磨法的具体步骤为：

将预合金粉末与y2o3粉末在在氢气、氩气或者二者的混合气体的保护气氛中机械球磨，达到机械合金化效果。

球磨参数：转速100～500r/min，球料比5～20:1，球磨时间30～60h。进一步优选的工艺参数为：在99.9％氢气、99.9％氩气或者二者的混合气体(氩气与氢气比例4～5:1)的保护气氛中机械球磨，转速300～400r/min，球料比10～15:1，球磨时间40～50h。

所述内氧化法的具体步骤为：

第一步，依据合金组分熔炼合金母锭，氩气雾化制粉获得含有活泼元素的fe基合金粉末；

第二步，fe基合金粉末在高温、高真空环境下进行热处理完成活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；

第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出。

工艺第二步中热处理温度为600～1200℃，真空度高于10^-2pa，加热时间不低于1h；进一步优选的热处理温度为600～1150℃，真空度高于10^-3pa，升温速度≤5℃/min，但升温时间不高于5h。

工艺第三步中氧化温度为250～500℃，氧气压力维持在10～100pa，氧化时间不低于3h；进一步优选的氧化温度为300～500℃，氧气压力维持在10～50pa，氧化时间不低于6h。为避免引入其他杂质，所用氧气纯度高于99.99％。

所述工艺的第二步和第三步顺序不得颠倒；高温真空热处理和氧化处理的升温速度不得高于10℃/min，最好不高于5℃/min。

步骤2)中，所用低碳钢包套壁厚为1～3mm，底部和顶部端盖厚为5～25mm。优选为：低碳钢包套壁厚为2～2.5mm，底部和顶部端盖厚为15～25mm。低碳钢包套顶部钻有直径为6～8mm的小孔，以便与不锈钢钢管连接除气。

在真空度高于10^-4pa的条件下焊接。

步骤3)中，带包套直接进行粉末锻造，采用平砧拔长工艺，始锻温度为1000～1250℃，终锻温度为850～1100℃，道次变形量＞15％。所述始锻温度优选为1100～1200℃，终锻温度优选为900～1000℃，道次变形量优选>30％。

热锻后的锻坯去包套后可利用轧制或者旋锻工艺使得合金密度进一步提高，组织更均匀，变形量15～30％，多道次退火加工后得到最终所需尺寸。

热锻后进行800～1100℃退火处理，退火时间1～2小时，然后进行冷旋锻加工，变形量15～30％，多次退火旋锻后得到最终所需尺寸。

采用机械加工的方式去除包套。

对于热等静压+热锻工艺制备高性能氧化物弥散强化合金的操作流程复杂，设备要求高，制备周期长，高温成形时间长的技术现状，本发明采用直接粉末锻造热固化合金的方法替代热等静压+热锻的方式，解决制备成本高，周期长等问题。

本发明相对于热等静压成形方法的优点：

(1)直接利用粉末锻造使得氧化物弥散强化合金直接成形得到较高强度和较好塑性的氧化物弥散强化合金，减少加工工序，极大提高制备效率，节约制备成本；

(2)高温条件下直接锻造，在非常快的变形速率和较大变形应力状态下，使得粉末发生剧烈的变形，粉末原始边界消失，得到组织均匀的锻坯；

(3)不同于类似热等静压过程的长时间维持高温，粉末锻造过程高温成形时间短，避免在长时间高温条件下氧元素扩散，第二相质点长大。

附图说明

图1为实施例1所得合金棒微观弥散强化相tem形貌；

图2为氧化物弥散强化合金的组织形貌，其中(a)本发明粉末锻造；(b)热等静压后锻造；

图3为三种制备方法所得合金的显微硬度；

图4为镍基氧化物弥散强化合金的拉伸曲线。

具体实施方式

以下将结合实例对对本发明技术方案进一步地详述：

实施例1

将粒度＜100μm的氩气雾化fe-12cr-4.5al-0.5ti-0.2w-0.5v预合金粉末和0.35wt％y2o3混合，放入球磨罐中，抽完空气后充入保护气体球磨，球磨具体参数如下：转速300r/min，球料比10:1，球磨时间40h，得到机械合金化粉末；将上述粉末填装到低碳钢包套中震实，包套尺寸如下：外径800mm，壁厚3mm，高100mm，上下盖厚均为10mm，顶部钻有直径为6mm的小孔；400℃下除气4个小时，真空度达到10^-4pa后焊封；将包套整体锻造，始锻温度1200℃，终锻温度900℃，最终变形量为400％；利用机械加工的方法去除包套，得到热锻后的氧化物弥散强化合金棒，棒材直径20mm；将锻棒进行冷旋锻加工，变形量30％，1000℃退火1h后，进行第二道次冷旋锻，最终得到直径10mm的氧化弥散强化合金棒。

经拉伸试验，其室温抗拉强度达到812mpa，延伸率为17％，700℃高温抗拉强度215mpa，延伸率为67％；强度与热等静压后的样品强度相当，氧化物颗粒如图1，可以看出合金中弥散相细小弥散。

实施例2

将粒度＜150μm的氩气雾化fe-16cr-4.5al-0.3ti预合金粉末与0.45wt％y2o3粉末混合后，装入球磨罐中，在高纯ar气体保护下球磨，包套焊封。包套尺寸如下：外径800mm，壁厚3mm，高100mm，上下盖厚均为10mm，顶部钻有直径为8mm的小孔；将包套整体锻造，始锻温度1200℃，终锻温度1000℃，大变形量热锻，最终直径为23mm。然后将带有包套的锻坯在1000℃下保温1h，进行均匀化处理。利用机械加工的方法去除包套，得到直径为20mm的氧化物弥散强化合金棒材，采用轧制方法处理粉末锻造合金坯料后，观察合金的微观组织，图2(a)是本实施例制备的合金组织，图2(b)是采用热等静压制备的同组分合金组织，二者微观组成差别不大组织均匀细小。

实施例3

将粒度＜75μm的fe-16cr-3al-0.5ti-2w-0.5v-0.5y预合金粉末，采用内氧化方法处理，首先将合金粉末进行真空热处理，温度为600℃，真空度高于10^-3pa，加热时间为2h，然后在20pa纯氧、300℃条件下进行氧化处理，继而装入包套焊封；将包套整体锻造，始锻温度1150℃，终锻温度1050℃，最终锻到直径为23mm，利用机械加工的方法去除包套，得到直径20mm的氧化物弥散强化合金棒材，采用旋锻方式制备合金棒材，并与热等静压+热锻+旋锻方式处理的合金棒材进行比较，得到图3所示的硬度对比。粉锻与热等静压合金的硬度相当且均高于铸态合金，说明第二相强化起到作用。

实施例4

将粒度＜100μm的氩气雾化ni-20.3cr-0.9fe-0.5ti-0.3al镍基预合金粉末和0.6wt％y2o3混合，放入球磨罐中，抽完空气后充入保护气体球磨，球磨具体参数如下：转速400r/min，球料比10:1，球磨时间40h，得到机械合金化粉末；将机械合金化粉末填装到低碳钢包套中震实，包套尺寸如下：外径800mm，壁厚3mm，高100mm，上下盖厚均为10mm，顶部钻有直径为6mm的小孔；450℃下除气4个小时，真空度达到10^-4pa后焊封；将包套整体锻造，始锻温度1250℃，终锻温度950℃，进行热锻；利用机械加工的方法去除包套，得到热锻后的氧化物弥散强化合金棒，棒材直径20mm；将锻棒进行冷旋锻加工，1050℃退火1h后，进行第二道次冷旋锻，道次变形量约25％，经多道次旋锻后，最终得到直径10mm的镍基氧化弥散强化合金棒。

拉伸曲线如图4所示，抗拉强度为1030mpa，屈服强度为1015mpa，延伸率为12.6％，合金的抗拉强度和延伸率与inconelalloyma754相当。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。