CN114318152B - 一种复合强化铁基高温合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种复合强化铁基高温合金及制备方法，高温合金由基体与复合强化相组成，复合强化相所占体积百分比1％～10％；其中8％≤Cr≤22％，1％≤W≤5％，0.2％≤Ti≤1.0％，0.3％≤Si≤5.0％，0.5％≤Y≤1.0％，1.0％≤Fe₂O₃≤3.0％，余量为Fe；经机械合金化、等温退火、模压成形及微波烧结工艺制成。本发明生产效率高，成本低，制备的复合强化铁基高温合金，强化相分布均匀，室温拉伸强度σ_b≥1100MPa，延伸率≥20％，800℃条件下拉伸强度σ_b≥350MPa，优于传统的Fe‑Cr‑W‑Ti‑Y₂O₃体系合金，且工艺周期大幅缩短，所需能耗大幅降低，节约制造成本。

Description

一种复合强化铁基高温合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合强化铁基高温合金及其制备方法，属粉末冶金高温合金技术领域。

背景技术

近年来，Fe-Cr-W-Ti-Y₂O₃体系的纳米团簇铁素体合金以其高温强度、抗辐照、低肿胀和耐液钠腐蚀等优点，成为可应用于核裂变堆燃料包覆管及核聚变堆第一壁结构的候选材料。学者们发现其组织中高密度、均匀分布着一种Ti-Y-O的纳米团簇，由于其尺寸仅为几个纳米，远低于传统ODS合金中的弥散相粒子，且其在1200℃以下具有极高的稳定性，使得合金的高温性能得到大幅提升。然而，NFA铁基合金为获得较高的性能，往往通过成本极高的热等静压或热挤压工艺制备，若采用传统的粉末冶金技术，则在相同的烧结温度下无法获得所需的相对密度和性能，而升高烧结温度又会使得强化颗粒发生长大行为。

因此，开发一种新的材料体系，并选择更为经济且有效的制备工艺，获得高性能且制造成本低的铁基合金，是使得该材料能够商业化生产的必然要求。

发明内容

本发明目的是提供一种复合强化铁基高温合金，该合金具有优异的高温强度及抗蠕变性能，且高温条件下组织稳定性高，可应用于新型核聚变堆第一壁结构材料。

本发明的另一目的是提供上述复合强化铁基高温合金的制备方法。

为了达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

一种复合强化铁基高温合金，其特征在于，由基体与复合强化相组成，各成分质量百分比为：8％≤Cr≤22％，1％≤W≤5％，0.2％≤Ti≤1.0％，0.3％≤Si≤5.0％，0.5％≤Y≤1.0％，1.0％≤Fe₂O₃≤3.0％，余量为Fe；其中复合强化相所占体积百分比1％～10％。

进一步的，所述基体为α-(Fe,Cr)单相固溶体，平均晶粒尺寸为0.5～10μm。

进一步的，所述复合强化相包括二氧化硅及Ti(Si)-Y-O超微结构。

进一步的，所述的二氧化硅的平均晶粒尺寸为0.2～6μm。

进一步的，所述Ti(Si)-Y-O超微结构为Ti_xSi_yY_zO_m复合相和/或纳米团簇，其中x:y:z:m为(1～10):(1～10):(1～10):(1～10)，且超微结构尺寸为2～20nm。

进一步的，所述复合强化铁基高温合金的制备方法，包括：

(1)机械合金化：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉末按照质量百分比配置成混合粉末：8％≤Cr≤22％，1％≤W≤5％，0.2％≤Ti≤1.0％，0.3％≤Si≤5.0％，0.5％≤Y≤1.0％，1.0％≤Fe₂O₃≤3.0％，余量为Fe，将混合粉末采用行星球磨机进行干式球磨，球磨时间12～96h，球料比10:1～30:1，球磨转速200～500rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

(2)等温退火：采用真空烧结炉对机械合金化后的粉末进行等温退火处理，退火温度700℃～900℃，保温时间5～20min，充入氩气保护。

(3)模压成形：将退火后的合金粉末单向模压成形，成形压力500～800MPa，保压时间30～120s；

(4)微波烧结：采用微波烧结炉对压坯进行烧结，烧结温度1150℃～1200℃，保温时间0.1～1h，真空度低于1×10^-2MPa。

进一步的，在机械合金化过程中，高密度能量输入使得部分亲氧性更强的Ti、Si和Y与Fe₂O₃发生置换反应，从而获得均匀分布的亚微米或微米级TiO₂、SiO₂和Y₂O₃；同时部分Ti、Si与Y原子与O原子在高能条件下形成Ti-O、Si-O和Y-O亚稳相，从而在微波烧结中获得纳米级Ti_xSi_yY_zO_m复合相或团簇结构。

进一步的，本发明的纳米团簇铁基高温合金中，采用Fe₂O₃和Ti、Si、Y粉代替通常所采用的Y₂O₃粉末，一方面可通过置换反应获得亚微米或微米级氧化物；另一方面，主要是由于F₂O₃和Ti、Si、Y的化学活性要远高于Y₂O₃，在高能球磨中，O原子会与Ti、Si、Y原子结合形成高密度的Si-O、Y-O和Ti-O等亚稳相，在随后的高温处理中更易获得Ti(Si)-Y-O超微结构。

进一步的，所述的复合强化铁基高温合金，其特征在于，通过均匀分布的亚微米或微米级氧化物与纳米级Ti_xSi_yY_zO_m复合相或团簇结构的复合作用，使得合金具有优异的高温强度及抗蠕变性能，同时制备工艺简单，成本较低。

进一步的，本发明向传统Fe-Cr-W-Ti-Y-O体系中添加Si，并且采用微波烧结工艺，主要是由于Si元素熔点相对较低，且微波烧结可以降低烧结温度并大幅缩短工艺周期，一方面避免了纳米团簇在长时间的高温条件下的长大，另一方面和热等静压及热挤压比较，大幅降低了成本。

本发明生产效率高，成本低，制备的复合强化铁基高温合金，其强化相分布均匀，室温拉伸强度σ_b≥1100MPa，延伸率≥20％，800℃条件下拉伸强度σ_b≥350MPa，优于传统的Fe-Cr-W-Ti-Y₂O₃体系合金，且其工艺周期大幅缩短，所需能耗大幅降低，节约了制造成本。因此，本发明提高了合金的性能，降低了合金的制备成本，扩大了合金的应用范围，使其满足汽车发动机、航空航天、燃气涡轮等高温结构件、核裂变燃料包覆管及核聚变反应堆第一壁结构材料等的使用要求。

具体实施方式：

以下结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉按质量分数计，89％Fe、8％Cr、1％W、0.2％Ti、0.3％Si、0.5％Y、1.0％Fe₂O₃放入不锈钢球磨罐中进行机械合金化，其中球料比为10:1，转速为200rpm，球磨时间为12h；将球磨后的粉末进行等温退火，退火温度700℃，保温时间5min，然后在500MPa压力下模压成形制成压坯,保压时间30s；将压坯在微波烧结炉中进行烧结，烧结温度1150℃，保温时间0.1h，升温速度30℃/min,真空度低于1×10^-2MPa；该合金的组织及性能详情见表1。

实施例2：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉按质量分数计，63％Fe、22％Cr、5％W、1.0％Ti、5.0％Si、1.0％Y、3.0％Fe₂O₃放入不锈钢球磨罐中进行机械合金化，其中球料比为30:1，转速为500rpm，球磨时间为96h；将球磨后的粉末进行等温退火，退火温度900℃，保温时间20min，然后在800MPa压力下模压成形制成压坯,保压时间120s；将压坯在微波烧结炉中进行烧结，烧结温度1200℃，保温时间1h，升温速度30℃/min,真空度低于1×10^-2MPa；该合金的组织及性能详情见表1。

实施例3：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉按质量分数计，77％Fe、14％Cr、2％W、0.5％Ti、3％Si、0.5％Y、3.0％Fe₂O₃放入不锈钢球磨罐中进行机械合金化，其中球料比为20:1，转速为300rpm，球磨时间为48h；将球磨后的粉末进行等温退火，退火温度800℃，保温时间20min，然后在600MPa压力下模压成形制成压坯,保压时间60s；将压坯在微波烧结炉中进行烧结，烧结温度1180℃，保温时间0.5h，升温速度30℃/min,真空度低于1×10^-2MPa；该合金的组织及性能详情见表1。

实施例4：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉按质量分数计，75.7％Fe、16％Cr、3％W、0.5％Ti、2.0％Si、0.8％Y、2.0％Fe₂O₃放入不锈钢球磨罐中进行机械合金化，其中球料比为20:1，转速为400rpm，球磨时间为60h；将球磨后的粉末进行等温退火，退火温度800℃，保温时间15min，然后在700MPa压力下模压成形制成压坯,保压时间90s；将压坯在微波烧结炉中进行烧结，烧结温度1170℃，保温时间0.6h，升温速度30℃/min,真空度低于1×10^-2MPa；该合金的组织及性能详情见表1。71.9Fe-20Cr-1W-0.5Ti-3.0Si-0.6Y-3.0Fe₂O₃

实施例5：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉按质量分数计，71.9％Fe、20％Cr、1％W、0.5％Ti、3.0％Si、0.6％Y、3.0％Fe₂O₃放入不锈钢球磨罐中进行机械合金化，其中球料比为15:1，转速为450rpm，球磨时间为36h；将球磨后的粉末进行等温退火，退火温度700℃，保温时间10min，然后在600MPa压力下模压成形制成压坯,保压时间60s；将压坯在微波烧结炉中进行烧结，烧结温度1200℃，保温时间0.5h，升温速度30℃/min,真空度低于1×10^-2MPa；该合金的组织及性能详情见表1。

表1本发明制备的纳米团簇铁基合金室温及高温性能

Claims (3)

1.一种复合强化铁基高温合金，其特征在于，由基体与复合强化相组成，各成分质量百分比为：8%≤Cr≤22%，1%≤W≤5%，0.2%≤Ti≤1.0%，0.3%≤Si≤5.0%， 0.5%≤Y≤1.0%，1.0%≤Fe₂O₃≤3.0%，余量为Fe；其中复合强化相所占体积百分比1%~10%；

所述复合强化相包括二氧化硅及Ti（Si）-Y-O超微结构；所述二氧化硅的平均晶粒尺寸为0.2~6μm；

室温拉伸强度σ_b≥1100MPa，延伸率≥20%，800℃条件下拉伸强度σ_b≥350MPa；

所述基体为α-(Fe,Cr)单相固溶体，平均晶粒尺寸为0.5~10μm；

所述Ti（Si）-Y-O超微结构为Ti_xSi_yY_zO_m复合相和/或纳米团簇，其中x:y:z:m为(1~10):(1~10):(1~10):(1~10)，且超微结构尺寸为2~20nm。

2.如权利要求1所述的复合强化铁基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）机械合金化：将Fe、Cr、W、Ti、Si、Y和Fe₂O₃粉末按照质量百分比配置成混合粉末：8%≤Cr≤22%，1%≤W≤5%，0.2%≤Ti≤1.0%，0.3%≤Si≤5.0%， 0.5%≤Y≤1.0%，1.0%≤Fe₂O₃≤3.0%，余量为Fe，将混合粉末采用行星球磨机进行干式球磨，球磨时间12~96h，球料比10:1~30:1，球磨转速200~500rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

（2）等温退火：采用真空烧结炉对机械合金化后的粉末进行等温退火处理，退火温度700℃~ 900℃，保温时间5~20min，充入氩气保护；

（3）模压成形：将退火后的合金粉末单向模压成形，成形压力500～800MPa，保压时间30～120s；

（4）微波烧结：采用微波烧结炉对压坯进行烧结，烧结温度1150℃～1200℃，保温时间0.1～1h，真空度低于1×10^-2MPa。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在机械合金化过程中，高密度能量输入使得部分亲氧性更强的Ti、Si和Y与Fe₂O₃发生置换反应，从而获得均匀分布的亚微米或微米级TiO_2、 SiO₂和Y₂O₃；同时部分Ti、Si与Y原子与O原子在高能条件下形成Ti-O、Si-O和Y-O亚稳相，从而在微波烧结中获得纳米级Ti_xSi_yY_zO_m复合相或团簇结构。