CN103966500A - 一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 - Google Patents
一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103966500A CN103966500A CN201410218467.3A CN201410218467A CN103966500A CN 103966500 A CN103966500 A CN 103966500A CN 201410218467 A CN201410218467 A CN 201410218467A CN 103966500 A CN103966500 A CN 103966500A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano particle
- ods
- composite oxides
- superalloy
- ods superalloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
本发明公开了一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金及其制备方法，该方法采用球磨与热等静压相结合的工艺，在铁基合金中直接掺入Y2Ti2O7复合氧化物纳米颗粒，显著提高了ODS高温合金的力学性能。经本发明方法制得的ODS高温合金中含有稳定、细小的Y2Ti2O7纳米弥散相，同时，该Y2Ti2O7纳米弥散相能够抑制易长大的Y-Al-O氧化物的生成。
Description
技术领域
本发明涉及一种ODS高温合金，更特别地说，是指一种添加有Y2Ti2O7复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金及其制备方法。
背景技术
氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)高温合金是将细小的氧化物颗粒弥散分布于基体合金中，实现弥散强化的一种粉末高温合金，是高温合金的一个重要发展方向。常用的氧化物是活泼金属的氧化物，如Y2O3、ThO2等，它们具有高硬度和良好的热稳定性和化学稳定性，其强化效果可以维持到接近合金熔点温度(0.9Tm)，这些超细的氧化物是高温下强化基体的最佳弥散相。
氧化物的结构和尺寸对于ODS高温合金的结构和性能有着决定性的影响，目前为止，Y2O3被认为是最合适的添加氧化物。研究发现，将Y2O3添加于不含Al的Fe-Cr-Ti系ODS高温合金中，可以生成细小的Y-Ti-O氧化物(Y2Ti2O7和/或Y2TiO5)。而在含Al的Fe-Cr-Al-Ti系ODS高温合金中，会生成易长大的Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)，从而导致ODS高温合金力学性能的降低。同时研究表明，相比于不含Al的ODS高温合金，含Al的ODS高温合金具有更加优异的抗氧化性和抗腐蚀性。因此，如何抑制含Al的ODS高温合金中粗大的Y-Al-O氧化物的生成，从而提高含Al的ODS高温合金的力学性能，已经成为急需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金，该ODS高温合金具有稳定的细小的Y2Ti2O7纳米弥散相，该Y2Ti2O7纳米弥散相能够有效的抑制易长大的Y-Al-O(YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成，使得经本发明方法制备得到的ODS高温合金力学性能更加优异。
本发明的目的之二是提出一种制备Y2Ti2O7纳米颗粒的方法，该方法采用氢等离子体反应与热处理相结合的工艺，是以两种纯金属和氢气为原料，热处理温度大大低于传统焙烧法，时间短，节约能源，而且所制备得到的Y2Ti2O7纳米颗粒纯度高，粒度均匀，粒径小。
本发明的目的之三是提出一种制备添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的方法，该方法采用球磨与热等静压相结合的工艺，在铁基合金中掺入Y2Ti2O7纳米颗粒，显著提高了ODS高温合金的力学性能；经本发明方法制得的ODS高温合金具有稳定且细小的Y2Ti2O7纳米弥散相，该Y2Ti2O7纳米弥散相能够有效的抑制易长大的Y-Al-O(即YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成。
制备本发明的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其包括有复合氧化物纳米颗粒的制备步骤和添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的制备步骤；具体地：
(一)制备复合氧化物纳米颗粒的步骤为：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，多次熔炼使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
熔炼条件包括有：等离子工作电流100A～500A，等离子中心温度为4000℃～6000℃，熔炼时间为1分钟～10分钟，熔炼过程保持在0.05MPa～0.1MPa的氩气气氛中；
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在氩气和氢气的气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使Y和Ti与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：氩气和氢气的体积比为1:9～9:1，反应炉内气体总压力为0.08～0.1MPa，等离子电流为100～500A，反应时间5～200min；
步骤1－3：热处理制备复合氧化物纳米颗粒
将制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在一定温度下的空气气氛中进行热处理，得到复合氧化物纳米颗粒；
热处理温度为800℃～1500℃，处理时间10～200min。
(二)制备添加有复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的步骤为：
步骤2－1：设计目标成分
以铁基合金为基体，具体成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将制得的复合氧化物纳米颗粒与步骤2－1选取的基体合金目标成分的金属粉末进行球磨，金属粉末可以是预合金粉末，也可以是各种单质金属粉末，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟150～1000转的速度球磨，球磨时间12～96小时。
球磨介质：不锈钢球，球料比为5:1～20:1。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
先将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于10－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；
热等静压工艺条件：温度为900℃～1300℃，压力为100～200MPa，处理时间1～4小时。
所述ODS高温合金以铁基合金为基体，添加了0.1～1.0wt％的复合氧化物纳米颗粒；所述复合氧化物纳米颗粒为10～100nm的Y-Ti-O纳米颗粒。所述的Y-Ti-O纳米颗粒为Y2Ti2O7和/或Y2TiO5纳米颗粒。所述添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金基体的具体成分是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料或者Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
在本发明中，制备添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金块体的氧化物弥散相为Y2Ti2O7，所述Y2Ti2O7纳米颗粒的粒径为1～30nm，平均粒径为5～15nm；不含有易长大的Y-Al-O氧化物弥散相；所述Y-Al-O氧化物弥散相的具体成分为YAlO3和/或Y4Al2O9。所述添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的抗拉强度为1250MPa～1350MPa，延伸率为13.0％～15.5％。
本发明制备方法的优点在于：
①在制备Y2Ti2O7纳米颗粒的过程中，热处理温度大大低于传统焙烧法，时间短，节约能源，而且所制备的Y2Ti2O7纳米颗粒纯度高，粒度均匀，粒径小。
②经本发明制备方法制得的添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金，具有稳定且细小的Y2Ti2O7纳米弥散相，并能有效地抑制易长大的Y-Al-O(即YAlO3和/或Y4Al2O9等)氧化物的生成。
③经本发明制备方法制得的添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金相对于传统的ODS高温合金具有优异的力学性能。块体Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7高温合金的抗拉强度可以达到1302MPa，延伸率也达到了14.5％。
附图说明
图1是钇、钛氢化物复合纳米颗粒的X射线衍射图。
图2是钇、钛氢化物复合纳米颗粒的透射电镜照片。
图3是经900℃热处理后Y2Ti2O7纳米颗粒的X射线衍射图。
图4是经900℃热处理后Y2Ti2O7纳米颗粒的透射电镜照片。
图5是经热等静压处理后的添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金块体的透射电镜照片。
图5A是经热等静压处理后的添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金块体的高分辨透射电镜照片。
图6是经热等静压处理后的添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金块体的室温拉伸曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
(一)制备Y2Ti2O7纳米颗粒的方法，其包括有下列步骤：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在本发明中，在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，多次熔炼使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
熔炼条件包括有：等离子工作电流100A～500A，等离子中心温度为4000℃～6000℃，熔炼时间为1分钟～10分钟，熔炼过程保持在0.05MPa～0.1MPa的氩气气氛中；
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在本发明中，在氩气和氢气的气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使Y和Ti与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：氩气和氢气的体积比为1:9～9:1，反应炉内气体总压力为0.08～0.1MPa，等离子电流为100～500A，反应时间5～200min；
步骤1－3：热处理制备Y2Ti2O7纳米颗粒
将制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在一定温度下的空气气氛中进行热处理，得到Y2Ti2O7纳米颗粒；
热处理温度为800℃～1500℃，处理时间10～200min。
(二)制备添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其包括有下列步骤：
步骤2－1：设计目标成分
在本发明中，以铁基合金为基体，具体成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将本发明制得的Y2Ti2O7纳米颗粒与步骤2－1选取的基体合金目标成分的金属粉末进行球磨，金属粉末可以是预合金粉末，也可以是各种单质金属粉末，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟150～1000转的速度球磨，球磨时间12～96小时。
球磨介质：不锈钢球，球料比为5:1～20:1。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
先将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于等于1.0×10－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ＯＤＳ高温合金；
热等静压工艺条件：温度为900℃～1300℃，压力为100～200MPa，处理时间1～4小时。
实施例1
(一)制备Y2Ti2O7纳米颗粒的方法，其包括有下列步骤：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在本发明中，在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，熔炼4次使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
熔炼条件包括有：等离子工作电流250A，等离子中心温度为5000℃，熔炼时间为10分钟，熔炼过程保持在0.08MPa的氩气气氛中；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
在本发明中，热等离子体反应炉选用北京物科光电技术有限公司生产的NEW-ADR-05型真空电弧炉。
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在本发明中，在氩气和氢气的体积之比为1:1的反应气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使钇、钛与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：反应炉内气体总压力为0.08MPa，等离子电流为200A，反应时间30min；
在本发明中，氢等离子体反应炉选用北京物科光电技术有限公司生产的NEW-ADR-05型真空电弧炉。
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对实施例1中的步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行物相结构分析，如图1所示的曲线为氢等离子化学气相沉积获得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒的X射线衍射图谱，可以看出钇、钛氢化物复合纳米颗粒包含TiH1.971、YH2和YH3三种氢化物。图1中横坐标为衍射角度，纵坐标为相对衍射强度。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行形貌分析，如图2所示。从图中透射电镜照片可以看出，钇、钛氢化物复合纳米颗粒为类球状，粒径在5～60nm之间。
步骤1－3：热处理制备Y2Ti2O7纳米颗粒
将步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在900℃温度下的空气气氛中进行热处理，处理时间60min，得到Y2Ti2O7纳米颗粒；
本发明中Y2Ti2O7纳米颗粒的制备方法，是以两种纯金属和氢气为原料，热处理温度大大低于传统焙烧法，时间短，节约能源，而且所制备的纳米颗粒纯度高，粒度均匀，粒径小。在本发明中，热处理炉为日本SHIMAX(岛通)MAC3C电阻炉。
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对步骤1－3制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行物相结构分析。如图3所示的曲线可知，在900℃热处理60min，钇、钛氢化物复合纳米颗粒完全转化为Y2Ti2O7纳米颗粒。图3中横坐标为衍射角度，纵坐标为相对衍射强度。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对900℃制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行形貌分析，如图4所示，从图中透射电镜照片可以看出，Y2Ti2O7纳米颗粒尺寸在50～100nm之间。
(二)制备添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其包括有下列步骤：
步骤2－1：设计目标成分
在本发明中，ODS高温合金目标成分为Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7(质量百分比)。
用量：制备600g的Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7合金，所需Al元素18g、Cr元素84g、W元素12g、Ti元素2.1g、Y2Ti2O7纳米颗粒3.6g，以及余量的Fe元素。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将本发明制得的Y2Ti2O7纳米颗粒与步骤2－1选取的合金目标成分的各种金属粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟220转的速度球磨，球磨时间48小时。
球磨介质：不锈钢球直径10毫米，球料比为10:1。
在本发明中，球磨机使用的是南京莱步科技实业有限公司生产的QM－QX12全方位行星式球磨机。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度为1.0×10－3Pa，然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；
热等静压工艺条件：温度为1160℃，压力为130MPa，处理时间4小时。
在本发明中，真空热压炉使用的是北京艾林科炉业技术有限公司生产的10－30H型热等静压炉。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对步骤2－3制得的块体Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7高温合金进行形貌和结构的分析，如图5和图5A所示。透射电镜图像显示，氧化物颗粒的尺寸分布在1～20nm之间，平均仅10nm，且通过图5A高分辨透射电镜图像表明，氧化物弥散相为Y2Ti2O7，没有Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成。可见，Y2Ti2O7的添加不仅有效地抑制了易长大的Y-Al-O氧化物的生成，而且大大降低了含Al的ODS高温合金中氧化物弥散相的尺寸。
采用INSTRON-8801型材料试验机对步骤2－3制得的块体Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7高温合金进行室温拉伸实验，如图6所示，图中可以看出，块体Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7高温合金的抗拉强度可以达到1302MPa，延伸率也达到了14.5％。而对比Fe-14Cr-3Al-2W-0.1Ti-0.35Y2O3高温合金(参考Materials ScienceForumVols.747-748(2013)pp507-512公开的成分及性能参数)的抗拉强度仅为980MPa，延伸率为10.3％。相比之下，添加Y2Ti2O7纳米颗粒提高了ODS高温合金的弥散强化效果，使得添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金综合力学性能远远优异于传统的ODS高温合金。
实施例2
(一)制备Y2Ti2O7纳米颗粒的方法，其包括有下列步骤：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在本发明中，在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，熔炼3次使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
熔炼条件包括有：等离子工作电流200A，等离子中心温度为4500℃，熔炼时间为6分钟，熔炼过程保持在0.09MPa的氩气气氛中；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在本发明中，在氩气和氢气的体积之比为5:3的反应气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使钇、钛与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：反应炉内气体总压力为0.1MPa，等离子电流为250A，反应时间60min；
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对实施例2中的步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行物相结构分析，结果为钇、钛氢化物复合纳米颗粒包含TiH1.971、YH2和YH3三种氢化物。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例2中的步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行形貌分析，结果为钇、钛氢化物复合纳米颗粒为类球状，粒径在10～50nm之间。
步骤1－3：热处理制备Y2Ti2O7纳米颗粒
将步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在800℃温度下的空气气氛中进行热处理，处理时间120min，得到Y2Ti2O7纳米颗粒；
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对实施例2中的步骤1－3制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行物相结构分析。在800℃热处理120min，钇、钛氢化物复合纳米颗粒完全转化为Y2Ti2O7纳米颗粒。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例2中的步骤1－3制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行形貌分析，结果为Y2Ti2O7纳米颗粒尺寸在40～100nm之间。
(二)制备添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其包括有下列步骤：
步骤2－1：设计目标成分
在本发明中，ODS高温合金目标成分为Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti2O7(质量百分比)。
用量：制备600g的Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti2O7合金，所需Al元素24g、Cr元素96g、W元素12g、Y2Ti2O7纳米颗粒3.0g，以及余量的Fe元素。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将本发明制得的Y2Ti2O7纳米颗粒与步骤2－1选取的合金目标成分的各种金属粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟280转的速度球磨，球磨时间36小时。
球磨介质：不锈钢球直径10毫米，球料比为15:1。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
先将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度为0.8×10－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；
热等静压工艺条件：温度为950℃，压力为150MPa，处理时间3小时。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例2中的步骤2－3制得的块体Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti2O7高温合金进行形貌和结构的分析，结果为氧化物弥散相为Y2Ti2O7，尺寸在1～20nm之间，平均粒度为9nm，没有粗大的Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成。可见，Y2Ti2O7的添加不仅有效地抑制了Y-Al-O氧化物的生成，而且，大大降低了含Al的ODS高温合金中氧化物弥散相的尺寸。
采用INSTRON-8801型材料试验机对实施例2中的步骤2－3制得的块体Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti2O7高温合金进行室温拉伸实验，结果其抗拉强度可以达到1280MPa，延伸率也达到了13.7％。
实施例3
(一)制备Y2Ti2O7纳米颗粒的方法，其包括有下列步骤：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在本发明中，在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，熔炼4次使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
熔炼条件包括有：等离子工作电流300A，等离子中心温度为6000℃，熔炼时间为3分钟，熔炼过程保持在0.08MPa的氩气气氛中；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在本发明中，在氩气和氢气的体积之比为1:7的反应气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使钇、钛与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：反应炉内气体总压力为0.08MPa，等离子电流为300A，反应时间45min；
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对实施例3中的步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行物相结构分析，结果为钇、钛氢化物复合纳米颗粒包含TiH1.971、YH2和YH3三种氢化物。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例3中的步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒进行形貌分析，结果为钇、钛氢化物复合纳米颗粒为类球状，粒径在10～60nm之间。
步骤1－3：热处理制备Y2Ti2O7纳米颗粒
将步骤1－2制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在1000℃温度下的空气气氛中进行热处理，处理时间30min，得到Y2Ti2O7纳米颗粒；
采用D/max-2200PC型X射线衍射仪对实施例3中的步骤1－3制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行物相结构分析。在1000℃以上热处理30min，钇、钛氢化物复合纳米颗粒完全转化为Y2Ti2O7纳米颗粒。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例3中的步骤1－3制得的Y2Ti2O7纳米颗粒进行形貌分析，结果为Y2Ti2O7纳米颗粒尺寸在60～100nm之间。
(二)制备添加有Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其包括有下列步骤：
步骤2－1：设计目标成分
在本发明中，ＯＤＳ高温合金目标成分为Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti2O7(质量百分比)。
用量：制备600g的Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti2O7合金，所需Al元素18g、Cr元素96g、Y2Ti2O7纳米颗粒4.8g，以及余量的Fe元素。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将本发明制得的Y2Ti2O7纳米颗粒与步骤2－1选取的合金目标成分的各种金属粉末进行球磨，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟250转的速度球磨，球磨时间36小时。
球磨介质：不锈钢球直径10毫米，球料比为5:1。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
先将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度为0.9×10－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；
热等静压工艺条件：温度为1050℃，压力为130MPa，处理时间2.5小时。
采用JEOL-JSM-2100F型透射电子显微镜对实施例3中的步骤2－3制得的块体Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti2O7高温合金进行形貌和结构的分析，结果为氧化物弥散相为Y2Ti2O7，尺寸在1-20nm之间，平均粒度为10nm，没有粗大的Y-Al-O氧化物(YAlO3和/或Y4Al2O9等)生成。可见，Y2Ti2O7的添加不仅有效地抑制了Y-Al-O氧化物的生成，而且，大大降低了含Al的ODS高温合金中氧化物弥散相的尺寸。
采用INSTRON-8801型材料试验机对实施例3中的步骤2－3制得的块体Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti2O7高温合金进行室温拉伸实验，结果为抗拉强度可以达到1260MPa，延伸率也达到了14.2％。
Claims (10)
1.一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其特征在于：所述ODS高温合金以铁基合金为基体，添加了0.1～1.0wt％的复合氧化物纳米颗粒；所述复合氧化物纳米颗粒为10～100nm的Y-Ti-O纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其特征在于：所述的Y-Ti-O纳米颗粒为Y2Ti2O7和/或Y2TiO5纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其特征在于：所述添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金基体的具体成分是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料或者Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其特征在于：所述添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的具体成分是Fe-3Al-14Cr-2W-0.35Ti-0.6Y2Ti2O7合金材料、Fe-4Al-16Cr-2W-0.5Y2Ti2O7合金材料或者是Fe-3Al-16Cr-0.8Y2Ti2O7合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金，其特征在于：所述添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的抗拉强度为1250MPa～1350MPa，延伸率为13.0％～15.5％。
6.制备权利要求1所述的一种添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其特征在于：包括有复合氧化物纳米颗粒的制备步骤和添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的制备步骤；具体地：
(一)制备复合氧化物纳米颗粒的步骤为：
步骤1－1：热等离子体制备Y-Ti合金锭
在惰性气氛中将钇(Y)金属和钛(Ti)金属按原子比1:1熔炼成Y-Ti合金锭，多次熔炼使Y-Ti合金锭成份分布均匀；
所述惰性气氛为高纯氩气，体积百分比纯度为99.999％。
所述钇(Y)金属的质量百分比纯度为99.9％。
所述钛(Ti)金属的质量百分比纯度为99.9％。
熔炼条件包括有：等离子工作电流100A～500A，等离子中心温度为4000℃～6000℃，熔炼时间为1分钟～10分钟，熔炼过程保持在0.05MPa～0.1MPa的氩气气氛中；
步骤1－2：氢等离子体反应制备钇、钛氢化物复合纳米颗粒
在氩气和氢气的气氛下，将步骤1－1制得的Y-Ti合金锭在热等离子体作用下熔化，并使Y和Ti与氢等离子体发生反应，通过化学气相沉积制备出钇、钛氢化物复合纳米颗粒；
热等离子体熔炼条件为：氩气和氢气的体积比为1:9～9:1，反应炉内气体总压力为0.08～0.1MPa，等离子电流为100～500A，反应时间5～200min；
步骤1－3：热处理制备复合氧化物纳米颗粒
将制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒在一定温度下的空气气氛中进行热处理，得到复合氧化物纳米颗粒；
热处理温度为800℃～1500℃，处理时间10～200min。
(二)制备添加有复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的步骤为：
步骤2－1：设计目标成分
以铁基合金为基体，具体成分可以是Fe-Al-Cr三元合金材料、Fe-Al-Cr-W四元合金材料、Fe-Al-Cr-Ti四元合金材料，Fe-Al-Cr-W-Ti五元合金材料。
步骤2－2：球磨法制备ODS高温合金粉末
将制得的复合氧化物纳米颗粒与步骤2－1选取的基体合金目标成分的金属粉末进行球磨，金属粉末可以是预合金粉末，也可以是各种单质金属粉末，制得ODS高温合金粉末；
球磨条件：在氩气气氛保护下，以每分钟150～1000转的速度球磨，球磨时间12～96小时。
球磨介质：不锈钢球，球料比为5:1～20:1。
步骤2－3：热等静压制备块体ODS高温合金
先将步骤2－2制得的ODS高温合金粉末装入包套中，对包套抽真空后进行封焊处理，设置真空度小于10－3Pa；然后将装有ODS高温合金粉末的包套放入热等静压设备中进行热压处理，得到块体ODS高温合金；
热等静压工艺条件：温度为900℃～1300℃，压力为100～200MPa，处理时间1～4小时。
7.根据权利要求6所述的一种制备添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其特征在于：经步骤1－2处理后制得的钇、钛氢化物复合纳米颗粒包含TiH1.971、YH2和YH3三种氢化物，且钇、钛氢化物复合纳米颗粒为类球状，尺寸在5～60nm之间。
8.根据权利要求6所述的一种制备添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其特征在于：经步骤1－3处理后钇、钛氢化物纳米颗粒完全转化为Y2Ti2O7纳米颗粒，且Y2Ti2O7纳米颗粒尺寸在10～100nm之间。
9.根据权利要求6所述的一种制备添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金的方法，其特征在于：经步骤2－3处理后得到的添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金块体的氧化物弥散相为Y2Ti2O7，所述Y2Ti2O7纳米颗粒的粒径为1～30nm，平均粒径为5～15nm；不含有易长大的Y-Al-O氧化物弥散相；所述Y-Al-O氧化物弥散相的具体成分为YAlO3和/或Y4Al2O9。
10.根据权利要求6所述的一种制备添加复合氧化物纳米颗粒的ODS高温合金块体的方法，其特征在于：经步骤2－3处理后得到的添加Y2Ti2O7纳米颗粒的ODS高温合金的抗拉强度为1250MPa～1350MPa，延伸率为13.0％～15.5％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410218467.3A CN103966500B (zh) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410218467.3A CN103966500B (zh) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103966500A true CN103966500A (zh) | 2014-08-06 |
| CN103966500B CN103966500B (zh) | 2017-11-14 |
Family
ID=51236497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410218467.3A Active CN103966500B (zh) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103966500B (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104630602A (zh) * | 2015-03-10 | 2015-05-20 | 中南大学 | 一种采用超声波分散法制备弥散强化铁基材料的方法 |
| CN106755729A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 东北大学 | 一种rafm钢用纳米强化剂及其制备和使用方法 |
| CN108559866A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-21 | 西安理工大学 | 一种高强度高导电率Cu-Ti合金及其制备方法 |
| CN108570572A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-25 | 西安理工大学 | 一种纳米氧化物弥散强化Cu-Ti合金及其制备方法 |
| CN108796345A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-11-13 | 中国科学院金属研究所 | 纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法 |
| CN110607487A (zh) * | 2019-10-09 | 2019-12-24 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | ODS-Fe3Al合金、合金制品及其制备方法 |
| CN110760760A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-07 | 中国核动力研究设计院 | 一种核反应堆结构材料用FeCrAl基合金的制备方法 |
| CN112250102A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-01-22 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种Y2Ti2O7复合纳米颗粒及其制备方法和应用 |
| CN112534073A (zh) * | 2018-08-02 | 2021-03-19 | 西门子能源环球有限责任两合公司 | 金属复合物 |
| US20230150052A1 (en) * | 2021-11-17 | 2023-05-18 | Goodrich Corporation | Systems and methods for high strength titanium rod additive manufacturing |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111531173B (zh) * | 2020-06-17 | 2021-09-07 | 中南大学 | 一种含钇粉末冶金高速钢及其制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101265530A (zh) * | 2008-05-06 | 2008-09-17 | 中南大学 | 一种纳米团簇弥散强化铁基合金的制备方法 |
| JP2010065302A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Kyoto Univ | スーパーｏｄｓ鋼 |
| CN102127713A (zh) * | 2011-02-22 | 2011-07-20 | 中南大学 | 一种双晶结构氧化物弥散强化铁素体钢及制备方法 |
| CN102127712A (zh) * | 2011-02-22 | 2011-07-20 | 中南大学 | 一种微合金化氧化物弥散强化铁素体钢及制备方法 |
| JP2012067344A (ja) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Hokkaido Univ | 酸化物分散強化型鋼およびその製造方法 |
| KR20130102682A (ko) * | 2012-03-08 | 2013-09-23 | 한국기계연구원 | 이트륨산화물이 분산된 원자력용 분산강화합금 및 이의 제조방법 |
| CN103374684A (zh) * | 2012-04-16 | 2013-10-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢及其制备方法 |
-
2014
- 2014-05-22 CN CN201410218467.3A patent/CN103966500B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101265530A (zh) * | 2008-05-06 | 2008-09-17 | 中南大学 | 一种纳米团簇弥散强化铁基合金的制备方法 |
| JP2010065302A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Kyoto Univ | スーパーｏｄｓ鋼 |
| JP2012067344A (ja) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Hokkaido Univ | 酸化物分散強化型鋼およびその製造方法 |
| CN102127713A (zh) * | 2011-02-22 | 2011-07-20 | 中南大学 | 一种双晶结构氧化物弥散强化铁素体钢及制备方法 |
| CN102127712A (zh) * | 2011-02-22 | 2011-07-20 | 中南大学 | 一种微合金化氧化物弥散强化铁素体钢及制备方法 |
| KR20130102682A (ko) * | 2012-03-08 | 2013-09-23 | 한국기계연구원 | 이트륨산화물이 분산된 원자력용 분산강화합금 및 이의 제조방법 |
| CN103374684A (zh) * | 2012-04-16 | 2013-10-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Q.X. SUN, T. ZHANG, ET.AL.: "Microstructure and mechanical properties of oxide dispersion strengthened ferritic steel prepared by a novel route", 《JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104630602B (zh) * | 2015-03-10 | 2017-01-11 | 中南大学 | 一种采用超声波分散法制备弥散强化铁基材料的方法 |
| CN104630602A (zh) * | 2015-03-10 | 2015-05-20 | 中南大学 | 一种采用超声波分散法制备弥散强化铁基材料的方法 |
| CN106755729A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 东北大学 | 一种rafm钢用纳米强化剂及其制备和使用方法 |
| CN108796345A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-11-13 | 中国科学院金属研究所 | 纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法 |
| CN108796345B (zh) * | 2017-11-10 | 2020-05-19 | 中国科学院金属研究所 | 纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法 |
| CN108559866A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-21 | 西安理工大学 | 一种高强度高导电率Cu-Ti合金及其制备方法 |
| CN108570572A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-25 | 西安理工大学 | 一种纳米氧化物弥散强化Cu-Ti合金及其制备方法 |
| CN112534073A (zh) * | 2018-08-02 | 2021-03-19 | 西门子能源环球有限责任两合公司 | 金属复合物 |
| US11773469B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-10-03 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Metal composition |
| CN110607487A (zh) * | 2019-10-09 | 2019-12-24 | 北京钢研高纳科技股份有限公司 | ODS-Fe3Al合金、合金制品及其制备方法 |
| CN110760760A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-07 | 中国核动力研究设计院 | 一种核反应堆结构材料用FeCrAl基合金的制备方法 |
| CN112250102A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-01-22 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种Y2Ti2O7复合纳米颗粒及其制备方法和应用 |
| US20230150052A1 (en) * | 2021-11-17 | 2023-05-18 | Goodrich Corporation | Systems and methods for high strength titanium rod additive manufacturing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103966500B (zh) | 2017-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103966500B (zh) | 一种添加复合氧化物纳米颗粒的ods高温合金及其制备方法 | |
| Wang et al. | Mechanical alloying and spark plasma sintering of CoCrFeNiMnAl high-entropy alloy | |
| CN101880808B (zh) | 一种纳米氧化物弥散增强超细晶钨基复合材料的制备方法 | |
| Thangaraju et al. | Phase stability of a mechanically alloyed CoCrCuFeNi high entropy alloy | |
| Srinivasarao et al. | Microstructure and mechanical properties of Al–Zr nanocomposite materials | |
| CN103173670A (zh) | 一种原位合成碳化物增强钨基复合材料的制备方法 | |
| CN104630639B (zh) | 一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金及制备方法 | |
| JP6886046B2 (ja) | 多段・高度還元による高融点金属粉末の製造方法 | |
| CN108500283B (zh) | 一种低成本两段还原制备纳米钨粉的方法 | |
| CN106001566A (zh) | 一种高强度高熵合金NbMoTaWV及其制备方法 | |
| CN105063457A (zh) | 一种纳米石墨复合的高容量RE-Mg-Ni基贮氢材料及其制备方法 | |
| CN102277508A (zh) | 镁基储氢合金的制备方法 | |
| CN102071348A (zh) | 一种超细晶粒纳米结构氧化物弥散强化钢的制备方法 | |
| Hassanzadeh-Tabrizi et al. | Fast synthesis of VC and V2C nanopowders by the mechanochemical combustion method | |
| CN108856725A (zh) | 一种弥散强化铜原位自生复合材料的制备方法和应用 | |
| CN101397617B (zh) | 一种纳米稀土氧化物掺杂钼-硅-硼合金的制备方法 | |
| CN108546863A (zh) | 一种多主元高温合金及其制备方法 | |
| Azar et al. | Synthesis and consolidation of W–Cu composite powders with silver addition | |
| CN105316501A (zh) | 一种稀土—镁基储氢合金及其制备方法 | |
| Ji et al. | On the preparation of amorphous Mg–Ni alloys by mechanical alloying | |
| CN112226639B (zh) | 一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法 | |
| CN104278220B (zh) | 一种高W含量Ni基非晶合金及其制备方法 | |
| CN115537631B (zh) | 一种纳米析出高强韧低活化FeCrVCu中熵合金及制备方法 | |
| Oliveira et al. | Effect of milling time in characteristics of the powder Cu-5wt.% graphite | |
| Nguyen et al. | Synthesis of YB2C2 by high‐energy ball milling and reactive spark plasma sintering |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |