CN113186444A

CN113186444A - 纳米氧化物和碳化物弥散强化低活化钢及制备方法和应用

Info

Publication number: CN113186444A
Application number: CN202110484622.6A
Authority: CN
Inventors: 严有为; 周亚举; 易果强; 尹圣铭; 薛丽红; 余圣甫; 张鹏
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113186444B

Abstract

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及纳米氧化物和碳化物弥散强化低活化钢及制备方法和应用。本发明制备方法包括以下步骤：(1)将合金钢粉和纳米氧化物粉末混合均匀后，得到复合金属粉末；(2)使用钢带包裹所述复合金属粉末，并通过成形拉丝技术得到药芯焊丝；(3)以所述药芯焊丝为原料，利用电弧熔丝增材制造设备进行增材制造，即可得到低活化钢。本发明根据逐层沉积原理，用电弧热熔化金属丝材，在软件程序的控制下，由线‑面‑体逐渐成形所需金属构件，无需模具且效率高、成本低，特别在制造大型复杂金属构件上具有独特的优势，具有广阔的应用前景。

Description

纳米氧化物和碳化物弥散强化低活化钢及制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及纳米氧化物和碳化物弥散强化低活化钢及制备方法和应用。

背景技术

低活化钢，具有低热膨胀率、低嬗变、低辐照肿胀等低活化特性的钢件，由于其具有良好的抗中子辐照性能和低活化特性及相对成熟的工业技术基础，被普遍认为是未来核聚变堆和商用核聚变电站的首选结构材料。纳米结构氧化物弥散强化(ODS)和晶内析出纳米MX(M＝Ti,X＝C)相强化低活化钢作为新一代核反应堆包壳材料已经引起国际广泛的关注和研究。然而在服役过程中，材料的组织稳定性与材料的服役性能之间存在明显的正相关关系。而MX的粗化速度远远小于M₂₃C₆，即其稳定性更高。而且高密度、高稳定性的位错和大量稳定的纳米ODS低活化高强钢，有利于捕获He粒子从而防止He泡的形成，同时阻碍晶界的运动和晶粒长大，提高核反应堆用材料的蠕变强度。而且，独特的微观结构赋予了ODS和MX强化低活化高强钢优异的高温力学性能和抗辐照性能，使其最高服役温度可提高至650-700℃。因此，ODS和MX强化低活化钢被认为是最具潜力的新型核用结构材料之一，由此成为国际核材料领域的研究焦点。然而ODS和MX强化低活化钢目前普遍采用传统的粉末冶金方法制备，这种方法不仅制备效率低，制备成本高，而且上述缺点在很大程度上限制了ODS和MX强化低活化钢的实际生产及其应用。

CN101328522B公开了一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，第一步，在真空感应炉内对炉料进行熔炼：(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。第二步，根据真空感应熔炼得到的铸锭成分和内部质量水平，选择是否在真空电渣重熔炉或者是氩气保护的普通电渣重熔炉内进行重熔精炼；第三步，锻造开坯和热轧生产制备所需CLAM钢型材。该技术方案采用传统的粉末冶金方法制备，这种方法不仅制备效率低，制备成本高，而且不可避免地引入杂质污染。

CN101328562B公开了氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料及其制备方法，具体公开了将CLAM钢粉、Y₂O₃粉和Ti粉均匀混合后置于密封容器中除气，接着在高纯氩气保护下机械合金化，热等静压或热压烧结致密化成型，继而进行热挤压或锻造轧制等加工成型工艺制备所需型材，最后进行淬火和回火处理制成氧化物弥散强化低活化马氏体钢ODS-CLAM。该技术方案实现了氧化物强化相均匀弥散分布，晶粒尺寸合理的马氏体系合金，但是容易引入杂质污染和难以直接制备大型复杂的构件，还存在改进空间。

综上所述，现有技术仍缺乏一种效率高、成本低的ODS和MX强化低活化钢件制造方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种弥散强化低活化钢的制备方法，其目的在于根据逐层沉积原理，用电弧热熔化金属丝材，在软件程序的控制下，由线-面-体逐渐成形所需金属构件，无需模具且效率高、成本低，特别在制造大型复杂金属构件上具有独特的优势，解决了传统粉末冶金法难以制备大型复杂构件的难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，纳米氧化物和碳化物弥散强化低活化钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)将合金钢粉和纳米氧化物粉末混合均匀后，得到复合金属粉末；

(2)使用钢带包裹所述复合金属粉末，并通过成型拉丝技术得到药芯焊丝；

(3)以所述药芯焊丝为原料，利用电弧熔丝增材制造设备进行增材制造，即可得到低活化钢。

作为优选，所述复合金属粉末中所述纳米氧化物粉末质量百分比为0.2％-1.0％，所述纳米氧化物粉末为三氧化二钇、三氧化二铝、二氧化钛和二氧化硅中的至少一种。

作为优选，所述合金钢粉包括如下质量百分比的组分：0.02％-0.08％的碳，8.5％-9.5％的铬，1％-2％的钨，0.1％-0.3％的硅，0.3％-0.9％的锰和0.3％-0.6％的钛，余量为铁。

作为优选，所述电弧熔丝增材制造设备的工艺参数设定为：电流150-250A，电压15-25V，焊枪移动速度1mm/s-10mm/s。

复合金属粉末在电弧的作用下发生化学反应，生成纳米的氧化物和TiC。

作为优选，所述药芯焊丝的直径为1mm-2mm，所述药芯焊丝中所述复合金属粉末的填充率为10％-40％。所述填充率为体积填充率。

作为优选，步骤(1)中所述混合均匀是在机械设备搅拌1-10h。

作为优选，步骤(2)中所述钢带为冷轧钢带，所述冷轧钢带的型号为SPCCT-SB、SPCD和SPCE中的一种。

作为优选，步骤(3)中所述电弧熔丝增材制造设备为冷金属过渡焊接设备、熔化极惰性气体保护焊设备和非熔化极惰性气体保护电弧焊设备中的一种。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述的低活化钢的制备方法制备而成的低活化钢。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述的低活化钢的制备方法制备而成的低活化钢在核聚变低活化材料领域中的应用。

本发明的有益效果有：

(1)本发明根据逐层沉积原理，用电弧热熔化金属丝材，在软件程序的控制下，由线-面-体逐渐成形所需金属构件，无需模具且效率高、成本低，特别在制造大型复杂金属构件上具有独特的优势，解决了传统粉末冶金法难以制备大型复杂构件的难题。

(2)本发明获得的金属药芯焊丝直径细小(≤2mm)，在电弧熔丝3D打印中，连续输送的丝材在电弧热的作用下同步熔化，具有小熔池熔炼与铸造的特点，同时其快速冷却的特性可抑制晶粒和纳米氧化物的聚集与长大，制备的材料组织中纳米粒子尺寸细小且分布均匀，并解决了大型金属构件铸造过程中成分偏析的问题。

(3)本发明可对药芯焊丝的组成和成分进行设计调整，以满足ODS和MX强化低活化钢在不同环境中的性能要求，所打印的钢件在不经过进一步处理条件下室温最大抗拉强度为944.6MPa，延伸率为16.11％；在600℃条件下的抗拉强度为378.46.6MPa，延伸率为36.31％，具有更广的实际应用范围，同时采用机械搅拌是合金粉混合，混料时间仅为1h-10h，就能获得所需均匀粉料，操作简单，且经济环保，所提供纳米ODS和MX强化低活化钢构件能实现机械化和规模化生产。

附图说明

图1是本发明制备方法实施例1-3流程示意图；

图2是实施例1制备的弥散强化低活化钢材料打印样品图，其中图(2)中的(a)为单道单层打印的样品图，图2中的(b)为单道多层打印的样品图；

图3是实施例1制备的弥散强化低活化钢材料的SEM图，其中图3中的(a)为低倍镜下的SEM图和图3中的(b)为高倍下的SEM照片SEM图；

图4是实施例1制备的弥散强化低活化钢材料的STEM图，其中图4中的(a)是明场像TEM图、图4中的(b)为暗场像TEM低倍图、图4中的(c)是暗场像TEM高倍图、图4中的(d)为高分辨图；

图5是实施例1-3的力学性能图，其中图5中的(a)为室温拉伸和图5中的(b)为600℃拉伸下的抗拉强度与延伸率关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

一种弥散强化低活化钢的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，将合金钢粉、纳米氧化物粉混料机机械搅拌得到混合粉体。具体地，将合金钢粉组成为(WFe75％200g，Cr 900g，TiFe30％66.7g，SiFe75％17.8g，MnFe75％71.1g，Fe281.9g)和纳米三氧化二钇37.5g在机械搅拌下进行混合，以得到混合粉体。其中，所述搅拌时间为5h；所述合金钢粉为不锈钢粉或者其他特定用途的合金钢粉，其平均粒径小于100μm，拉丝成型性较好；所述纳米氧化物粉为高熔点、高稳定性的稀土Y₂O₃，其平均粒径小于40nm；所述混合粉体中氧化物粉质量占总含量的0.5％。

步骤二，采用钢带包裹所述混合粉体，并通过成型拉丝得到药芯焊丝。

具体地，所述钢带为宽12mm、厚2mm的冷轧钢带，型号为SPCCT-SB，所述药芯焊丝的直径为1.2mm；所述药芯焊丝中混合粉体的填充率为15％。

步骤三，以所述药芯焊丝为原料，利用冷金属过渡(CMT)电弧熔丝设备将药芯焊丝在Q235钢基板上按照预先设定的产品模型进行单道多层电弧熔丝3D打印，以得到纳米ODS和MX强化低活化钢的单道多层钩件如图2所示，其中图(2)中的(a)为单道单层打印的样品图，(b)为单道多层打印的样品图。

打印成形后，经过打磨抛光即可得到纳米ODS和MX强化低活化钢件。其中，所述的电弧熔丝3D打印工艺参数设定为：电流231A，电压19.2V，焊枪移动速度6mm/s；所述的惰性气体为纯Ar气体，流量为18L/min。表一为焊丝化学成分。

表1实施例1复合金属粉末成分(wt％)

C	Cr	W	Mn	Ti	Si	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe
								0.064	9.0	1.5	0.8	0.3	0.2	0.5	余量

实施例2

本实施例与实施例1主要不同之处在于，复合金属粉末的组成不同，其主要化学成分组成及质量百分比如表2所示。

表2实施例2复合金属粉末成分(wt％)

C	Cr	W	Mn	Ti	Si	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe
								0.064	9.0	1.5	0.8	0.5	0.2	0.5	余量

实施例3

本实施例与实施例1主要不同之处在于，复合金属粉末的组成不同，其主要化学成分组成及质量百分比如表3所示。

表3实施例3复合金属粉末成分(wt％)

C	Cr	W	Mn	Ti	Si	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe
								0.064	9.0	1.5	0.8	0.5	0.2	0.2	余量

由图3可知，本申请实施例1制得的纳米ODS和MX强化低活化钢件，室温下合金组织的内部有细小的氧化物和MX析出。

由图4可以看出晶粒内部有大量细小的氧化物和MX析出，此纳米析出相为纳米氧化物(三氧化二钇/二氧化钛)和纳米碳化钛。

由图5可知，在不进行任何处理条件下，本发明制备的低活化钢最优方案室温最大抗拉强度为944.6MPa，延伸率为16.11％；在600℃条件下的抗拉强度为378.46.6MPa，延伸率为36.31％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳米氧化物和碳化物弥散强化的低活化钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)使用钢带包裹所述复合金属粉末，并通过成形拉丝技术得到药芯焊丝；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合金属粉末中所述纳米氧化物粉末质量百分比为0.2％-1.0％，所述纳米氧化物粉末为三氧化二钇、三氧化二铝、二氧化钛和二氧化硅中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述合金钢粉包括如下质量百分比的组分：0.02％-0.08％的碳，8.5％-9.5％的铬，1％-2％的钨，0.1％-0.3％的硅，0.3％-0.9％的锰和0.3％-0.6％的钛，余量为铁。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材制造设备的工艺参数设定为：电流150-250A，电压15-25V，焊枪移动速度1mm/s-10mm/s。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为1mm-2mm，所述药芯焊丝中所述复合金属粉末的填充率为10％-40％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述混合均匀是在机械设备搅拌1-10h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钢带为冷轧钢带，所述冷轧钢带的型号为SPCCT-SB、SPCD和SPCE中的一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述电弧熔丝增材制造设备为冷金属过渡焊接设备、熔化极惰性气体保护焊设备和非熔化极惰性气体保护电弧焊设备中的一种。

9.根据权利要求1-8任一项所述的低活化钢的制备方法制备而成的低活化钢。

10.根据权利要求9所述的低活化钢在核聚变低活化材料领域中的应用。