CN104073725A - 提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法 - Google Patents

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韩窗熙
姜锡勋
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Abstract

本发明涉及一种含铬(Cr)12~20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1~0.5重量%、钨(W)0.1~4重量%、钼(Mo)0.5~2重量%、钛(Ti)0.1~0.3重量%、锆(Zr)0.02~0.3重量%及其余部分为铁(Fe)的，提高了常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法。依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金在常温及高温，特别是在700℃条件下，抗张特性良好，可用作火力发电用超超临界蒸汽发电机部件(旋翼、轴等)，飞机用引擎部件(圆盘、喷管等)的材料，还可用作钠冷却快堆等核动力系统堆芯构造部件(核燃料被覆管、导管、导线、端塞等)的材料。

Description

提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法。更具体地说，就是涉及一种以铁(Fe)-铬(Cr)-氧化钇(Y2O3)系合金为基本组成，钨(W)和钼(Mo)作为固溶强化元素包含在内，且将钛(Ti)及锆(Zr)作为微量合金元素包含的，提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法。
背景技术
氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthened；ODS)合金是一种使Y2O3等氧化物均匀地分散到基地组织内以增强高温强度的合金。最近，它被用作钠冷却快堆等核动力系统的堆芯构造部件(核燃料被覆管、导管、导线等)或者火力发电用构造部件(燃气涡轮叶片、轴等)的材料。这种氧化物弥散强化合金中以纳米级大小细微分散的氧化物在高温条件下的热稳定性良好，其作用就是阻碍高温应力环境下电位的移动，从而大大提升高温抗蠕变强度(creep strength)。
但是，现有的氧化物弥散强化合金不仅在常温条件下强度会降低，即使是在650℃以上的条件下其强度也会急剧下降。因此，长期使用就会出现问题。
为了解决上述问题，科研人员研发出了多种方法，如向铁(Fe)-铬(Cr)-氧化钇(Y2O3)系合金中添加作为固溶强化元素的钨(W)，其中钨(W)具有即使温度上升也不会软化，坚硬从而不易被磨损等特性，然后再向其中添加钒(V)或铌(Nb)等微量合金元素的方法(参照韩国公开专利10-2012-0118312号)等。但是，依据上述方法制造的氧化物弥散强化合金的高温强度特性增强效果微小，迫切需要开发抗拉强度更加良好的氧化物弥散强化合金。
发明内容
技术课题
本发明是为解决上述问题而研发的。本发明的目的在于，提供一种提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金及其制造方法，它含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)。
但是，本发明所要解决的技术课题并不仅仅局限于上面提到的课题，对于未提到的其它课题，本领域技术人员通过下面的说明也完全能够理解。
课题解决方法
本发明提供了一种提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金，它含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)。
作为本发明的一个实施例，所述铁素体氧化物弥散强化合金中钛(Ti)与锆(Zr)之和占0.5重量%以下。
作为本发明的另一个实施例，所述铁素体氧化物弥散强化合金被用作火力发电用超超临界蒸汽发电机的旋翼、轴，飞机用引擎的圆盘、喷管，快堆用核燃料被覆管等构造部件的材料。
另外，本发明提供了一种包含以下几个步骤的提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金制造方法：
(a)将含有铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钛(Ti)及锆(Zr)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末混合后进行机械性合金化处理制造合金粉末的步骤；
(b)将所述经过机械性合金化处理制造的合金粉末装入罐类容器内进行脱气处理的步骤；
(c)将所述经过脱气处理的合金粉末进行热加工制造氧化物弥散强化合金的步骤；
(d)将所述经过热加工的氧化物弥散强化合金进行冷加工的步骤。
作为本发明的一个实施例，在所述步骤(a)中，所述合金粉末含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分是铁(Fe)，其中钛(Ti)与锆(Zr)之和占0.5重量%以下。
作为本发明的另一个实施例，在所述步骤(c)中，所述热加工，从由热等静压、热锻、热轧及热挤压等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合实施。
作为本发明的又一个实施例，在所述步骤(d)中，所述冷加工，从由冷压、冷拉及冷轧等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合实施。
发明效果
依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金，含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)，其中钛(Ti)与锆(Zr)之和占0.5重量%以下，在常温及高温条件下，抗张特性良好，不仅可用作火力发电用超超临界蒸汽发电机部件(旋翼、轴等)，飞机用引擎部件(圆盘、喷管等)的材料，而且还可用作钠冷却快堆等核动力系统的堆芯构造部件(核燃料被覆管、导管、导线、端塞等)的材料。
附图说明
图1是显示在常温及700℃条件下依据现有的氧化物弥散强化合金和依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金进行抗张试验的结果的图；
图2是显示在700℃条件下依据现有的铁素体氧化物弥散强化合金和依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金进行蠕变试验的结果的图。
具体实施方式
本发明人为了提高用作火力发电用蒸汽发电机、飞机用引擎部件及快堆构造部件材料的氧化物弥散强化合金在常温及700℃条件下的抗张特性而进行了大量的研究，结果表明，如果将钼(Mo)作为固溶强化元素添加并将钛(Ti)及锆(Zr)等微量合金元素添加时，与现有的氧化物弥散强化合金相比，其常温及高温强度均得到提高，且在此基础上完成了本发明。
以下，将对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种常温及高温强度提高的铁素体氧化物弥散强化合金，它含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)，其中钛(Ti)与锆(Zr)之和占0.5重量%以下。
如果铬(Cr)的含量低于12重量%，则其耐氧化性就降低，如果超过20重量%，则其加工性就降低。因此，优选地，铬(Cr)的含量为12～20重量%，更加优选地，其含量为14～18重量%。
如果氧化钇(Y2O3)的含量低于0.1重量%，则其弥散强化效果不明显，如果超过0.5重量%，则残留弥散粒子使弥散强化效果增强，从而加工性降低。因此，优选地，氧化钇(Y2O3)的含量为0.1～0.5重量%，更加优选地，其含量为0.3～0.4重量%。
钨(W)是为增强高温强度特性而添加的固溶强化元素，优选地，钨(W)的含量为0.1～4重量%，更加优选地，其含量为1～2重量%。
钼(Mo)也是为增强高温强度特性而添加的固溶强化元素，如果钼(Mo)的含量低于0.5重量%，则高温强度增强效果不明显，如果超过2重量%，则会因含有大量昂贵的钼(Mo)而增加经济成本。因此，优选地，钼(Mo)的含量为0.5～2重量%，更加优选地，其含量为1～2重量%。
优选地，钛(Ti)的含量为0.1～0.3重量%，更加优选地，其含量为0.2～0.3重量%。这种钛(Ti)在加热过程中会与氧化钇(Y2O3)结合而形成类似Y2Ti2O7或Y2TiO5的Y-Ti-O系复合氧化物，通过所述氧化物的高密度及细微弥散可增强其强度。
另外，依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金还含有锆(Zr)等微量合金元素，具体地说，优选地，锆(Zr)的含量为0.02～0.3重量%，更加优选地，其含量为0.02～0.25重量%。这种锆(Zr)也会与氧化钇(Y2O3)结合形成Y-Zr-O系复合氧化物，通过在基地内高密度均匀弥散从而进一步增强其强度特性。
作为本发明的另一种形态，本发明提供了一种包含如下步骤的提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金的制造方法：
(a)将含有铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钛(Ti)及锆(Zr)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末混合后进行机械性合金化处理制造合金粉末的步骤；
(b)将所述经过机械性合金化处理制造的合金粉末装入罐类容器内进行脱气处理的步骤；
(c)将所述经过脱气处理的合金粉末进行热加工制造氧化物弥散强化合金的步骤；
(d)将所述经过热加工的氧化物弥散强化合金进行冷加工的步骤。
在步骤(a)中，将含有铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钛(Ti)及锆(Zr)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末混合后进行机械性合金化处理制造出合金粉末。此时，优选地，合金粉末中含铬(Cr)12～20重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)，其中钛(Ti)与锆(Zr)之和占0.5重量%以下。将这种金属粉末与0.1～0.5重量%的氧化钇(Y2O3)粉末组成的混合粉末利用卧式球磨机等机械性合金化装置进行机械性合金化处理，从而制造出合金粉末。
在步骤(b)中，将通过步骤(a)制造的合金粉末在真空状态下进行脱气处理。具体地说，就是将通过步骤(a)制造的通过机械性合金化处理获得的合金粉末填充至碳素钢或不锈钢材质的罐类容器中，密封后在400～650℃，10-4torr条件下进行脱气处理1～4小时。
在步骤(c)中，将通过步骤(b)经脱气处理后的合金粉末进行热加工。具体地说，就是从由热等静压、热锻、热轧及热挤压等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合制造出氧化物弥散强化合金。
优选地，在步骤(d)中，将通过步骤(c)制造的氧化物弥散强化合金进行冷加工。具体地说，就是从由冷压、冷拉及冷轧等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合实施。
在本发明的一个实施例中，制造出含铬(Cr)12～20重量%、氧化钇(Y2O3)0.1～0.5重量%、钨(W)0.1～4重量%、钼(Mo)0.5～2重量%、钛(Ti)0.1～0.3重量%、锆(Zr)0.02～0.3重量%，其余部分为铁(Fe)的铁素体氧化物弥散强化合金后(参考实施例1)，将其与现有的铁素体氧化物弥散强化合金的高温强度及蠕变特性进行比较时，结果表明，依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金与现有的铁素体氧化物弥散强化合金相比，在常温及700℃条件下不仅具有更加良好的抗张特性(参考实施例2)，而且其蠕变特性也更加良好(参考实施例3)。
下面，为了有助于加深对本发明的理解而列举几个优选实施例。但是，列举下述实施例的目的仅仅是为了更加容易对本发明进行理解，而下述实施例并不限定本发明的内容。
实施例
实施例1.制造铁素体氧化物弥散强化合金
制造出了含有下述表1所列组成的铁素体氧化物弥散强化合金。
[表1]
Fe Cr W Mo Ti Zr Y2O3
参照合金1 Bal. 15 2 0.25 0.35
参照合金2 Bal. 15.5 1 1.8 0.25 0.35
新合金1 Bal. 15.5 1 1.8 0.1 0.2 0.35
新合金2 Bal. 15.5 2 1 0.1 0.2 0.35
新合金3 Bal. 14 0.2 1 0.1 0.25 0.35
(单位：重量%)
即，将高纯度的原料粉末(Fe、W、Cr、Mo、Ti、Zr、粒度200目以下，纯度99%以上)及Y2O3粉末(50nm以下，纯度99.9%)分别按重量比混合后，利用卧式球磨机装置在240rpm、48h、超高纯度氩(Ar)环境下通过机械性合金化法制造出合金粉末后，将其填充至不锈钢罐内密封，在500℃、10-4torr以下的真空度进行脱气处理3小时。将制造的填充有合金的罐在1150℃、100MPa的条件下通过HIP(热等静压)进行加压及加热处理3小时制造出氧化物弥散强化合金后，再在1150℃条件下加热1小时，接着再按80%以上的厚度减少率进行热轧处理制造出氧化物弥散强化合金。
实施例2.常温及高温强度特性比较实验
针对实施例1中制造的5种铁素体氧化物弥散强化合金在常温及700℃条件下测定其YS(抗屈强度)、UTS(极限抗拉强度)及TE(总延伸量)，并将其结果显示在图1中。
参考图1可以看出，不含锆(Zr)和钼(Mo)的参照合金1的抗屈强度在常温下为729MPa，在700℃条件下为181MPa。不含锆(Zr)的参照合金2的抗屈强度在常温下为773MPa，在700℃条件下为193MPa。与之相比，对于将钼(Mo)作为固溶强化元素添加，并添加了钛(Ti)及锆(Zr)等微量合金元素的本发明新合金1、2及3来说，在常温下抗屈强度为798～850MPa，在700℃条件下为239～272MPa。
上述结果表明，依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金与现有的参照合金相比，其延伸率未降低，且提高了常温及700℃条件下的抗屈强度。
实施例3.高温蠕变特性比较实验
针对实施例1中制造的5种铁素体氧化物弥散强化合金在700℃条件下进行了蠕变(Creep)试验，并将其结果显示在图2中。
参照图2可以看出，在120、150MPa的应力下，与参照合金1及参照合金2相比，本发明的合金(新合金1至3)的蠕变断裂时间显著增加。
上述结果表明，依据本发明的铁素体氧化物弥散强化合金与现有的铁素体氧化物弥散强化合金相比，其具有更加良好的高温蠕变特性。
上述对本发明的说明是示例性的，且通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想及必要特征的范围内，进行多样的变更以及修改。因此，以上所列举实施例是为了从各个方面对本发明进行示例说明，并不意味着本发明仅限定于此。

Claims (7)

1.一种提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金，
含铬12~20重量%、氧化钇0.1~0.5重量%、钨0.1~4重量%、钼0.5~2重量%、钛0.1~0.3重量%、锆0.02~0.3重量%，其余部分为铁。
2.根据权利要求1所述的铁素体氧化物弥散强化合金，其特征在于：
所述铁素体氧化物弥散强化合金中钛与锆之和占0.5重量%以下。
3.根据权利要求1所述的铁素体氧化物弥散强化合金，其特征在于：
所述铁素体氧化物弥散强化合金用作火力发电用超超临界蒸汽发电机的旋翼、轴，飞机用引擎的圆盘、喷管，快堆用核燃料被覆管等构造部件的材料。
4.一种提高常温及高温强度的铁素体氧化物弥散强化合金制造方法，包括以下几个步骤：
(a)将含有铁、铬、钼、钨、钛及锆的金属粉末与氧化钇粉末混合后进行机械性合金化处理制造合金粉末的步骤；
(b)将所述经过机械性合金化处理制造的合金粉末装入罐类容器内进行脱气处理的步骤；
(c)将所述经过脱气处理的合金粉末进行热加工制造氧化物弥散强化合金的步骤；
(d)将所述经过热加工的氧化物弥散强化合金进行冷加工的步骤。
5. 根据权利要求4所述的铁素体氧化物弥散强化合金制造方法，其特征在于：
在步骤(a)中，所述合金粉末含铬12~20重量%、氧化钇0.1~0.5重量%、钨0.1~4重量%、钼0.5~2重量%、钛0.1~0.3重量%、锆0.02~0.3重量%，其余部分为铁，其中钛与锆之和占0.5重量%以下。
6.根据权利要求4所述的铁素体氧化物弥散强化合金制造方法，其特征在于：
在步骤(c)中，所述热加工是从由热等静压、热锻、热轧及热挤压等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合实施。
7.根据权利要求4所述的铁素体氧化物弥散强化合金制造方法，其特征在于：
在步骤(d)中，所述冷加工是从由冷压、冷拉及冷轧等工艺构成的群中选择某一项或者通过它们的组合实施。
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