CN115194167A - 一种FeCrAl合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，包括如下步骤：a、在真空环境下将合金原料熔炼至液态；b、使用氩气和氧气的混合气作为雾化气体，对步骤a中的液态合金进行雾化制粉，得到高含氧量FeCrAl合金粉末。本发明还公开了采用这种方法制备的一种FeCrAl合金粉末，其主要成分的质量百分比为：Cr：10～25％，Al：3～7％，Y：0.02～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Zr：0.05～0.2％，Mn：0.05～1％，Si：0.05～1％，O：0.12％～0.25％，N：0.005％～0.1％，Mo：0～5％，W：0～5％，其余为Fe和杂质元素。这种FeCrAl合金粉末的制备方法可适性广，操作简单。制备所得的FeCrAl合金粉末的化学成分均匀，呈现为球形形貌，粒径小，含氧量高且可控。采用这种高含氧量FeCrAl合金粉末经过热等静压或热挤压等工艺制备出的氧化物弥散强化铁铬铝合金，其各项性能均有较大提升。
Description
技术领域
本发明属于氧化物弥散强化合金前驱体粉末的制备技术，具体涉及一种FeCrAl合金粉末，特别地，还涉及一种FeCrAl合金粉末的制备方法。
背景技术
目前铁铬铝合金通常采用熔炼加变形加工工艺制作，在加热元件，耐热部件等方面有广泛应用。熔炼加变形加工工艺制备的铁铬铝合金成本低廉，但晶粒粗大，微观元素偏析导致在高温下易氧化、强度低、寿命短。而粉末冶金方法制备的经过氧化物弥散强化的铁铬铝合金(ODS合金)，其高温强度、抗氧化和耐蚀能力均有显著提升。对这种氧化物弥散强化铁铬铝合金进行分析，由于铁铬铝合金粉末自身所携带的氧化物纳米颗粒拥有硬度高，热稳定性好等特性，并且均匀弥散分布在晶粒的边界及内部，在高温下起到了阻碍位错和晶界的运动，削弱了晶粒长大的作用，从而提高了铁铬铝合金的高温强度、抗氧化性、耐蚀性和使用寿命。目前制备ODS合金的方法主要有：机械合金化、内氧化法、常规粉末混合法等。
机械合金化是将氧化物粉末和金属粉末在球磨机或研磨机中研磨，将研磨后得到的混合粉末通过热静压等方式制成ODS合金。但机械合金化的工艺过程复杂，耗时长，效率比较低，同时材料的一致性、稳定性也比较难以把控，大批量制备很困难。
内氧化法是另外一种制备ODS合金的方法，具体方法以Cu-Al体系为例，由于铝相对比较活泼，Cu-Al块体材料在适当控制的气氛下发生选择性氧化，生成氧化铝颗粒，并弥散分布在铜的基体上，起到弥散强化的作用。但是这种方法对于材料体系有较强的局限性，难以推广到较多的材料体系中。
常规粉末混合法是将氧化物颗粒和材料粉末混合均匀，然后采用压制和烧结的方法制备氧化物弥散强化合金。在理想的状态中，氧化物颗粒均匀分布，存在于晶界和晶粒内部，并且对于晶界的连续性不造成太大的破坏，而晶粒内部的颗粒能与晶格存在比如半共格等位相关系，进而起到弥散强化的作用。但是实际中，这种方法的缺点是氧化物颗粒均匀性存在问题，而且添加的氧化物颗粒难以进入材料晶粒的内部，大部分分布在合金粉末的外缘，进而引起氧化物的团聚偏析，造成晶界的弱化，难以达到很好的性能匹配状态。即使直接采用纳米尺寸的氧化物颗粒和材料粉末进行混合，均匀性依然存在很大的问题，氧化物团聚偏析等问题难以有效克服。CN101956119公开了一种低温燃烧合成法制备弥散强化金属用预合金粉末的方法，但是该方法难以实现大规模工业生产，并且稳定性不高。
粉末冶金法是目前制备氧化物弥散强化合金的主要方法，其重点在于获得化学成分均匀的合金粉末，并且同时在粉末中引入合适含量的氧，为后续纳米氧化物的生成和弥散分布提供基础。真空气雾化制粉技术是目前最常见的合金粉末制备方法，具备工业化规模生产的能力。但是目前通过真空气雾化制粉技术制得的合金粉末的氧含量不够高，进一步提升合金粉末的氧含量，制备出性能更好的氧化物弥散强化合金，是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：目前通过真空气雾化制粉技术制得的合金粉末的氧含量较低，导致采用这种合金粉末制得的氧化物弥散强化铁铬铝合金高温性能较差。因此，有必要改进真空气雾化制粉技术，进一步提升合金粉末的氧含量，以制备性能优异的氧化物弥散强化铁铬铝合金。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出一种FeCrAl合金粉末及其制备方法，采用氩气和氧气的混合气作为雾化气体进行雾化制粉。该制备方法可适性广，操作简单。制备所得的FeCrAl合金粉末的化学成分均匀，粉末中拥有高含量的氧，氧在粉末中以氧化物纳米颗粒的形式存在，并均匀的弥散分布在铁的基体上。采用这种高含氧量FeCrAl合金粉末制备出的氧化物弥散强化铁铬铝合金，其各项性能均有较大提升。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，包括如下步骤：
a、在真空条件下，将合金原料熔炼至液态；
b、使用氩气和氧气的混合气作为雾化气体，对所述步骤a中的液态合金进行雾化制粉，得到FeCrAl合金粉末。
根据本发明实施例FeCrAl合金粉末的制备方法带来的优点和技术效果，在真空气雾化制粉技术中，通常采用氮气或氩气作为雾化气，但是氮气在高温下会与FeCrAl合金中的Al反应，氮气与部分的Al结合生成氮化物，使颗粒无法形成保护性的氧化物；另一方面，氮气在合金粉末颗粒上会产生明显的氮化作用，而氮化作用会使合金粉末颗粒在制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金的过程中难以粘合；本发明实施例中，采用了氩气和氧气的混合气作为雾化气体，可以很好的解决这一问题，氩气的化学性质十分稳定，不与FeCrAl合金中的任一组分反应，氧气与FeCrAl合金中的各个组分反应生成大量氧化物纳米颗粒，制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金时，大量的氧化物纳米颗粒弥散分布在晶粒的边界甚至内部，制得的氧化物弥散强化铁铬铝合金的性能得到很大提升。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤a中，所述真空条件下的真空度是0.1～1Pa。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤a中，所述熔炼过程的熔炼温度是1550～1650℃，所述熔炼时间是60～80min。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤b中，所述含氧雾化气体中氧气的体积百分比为1～10vol％。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤b中，所述雾化气体的流量为1200～1500Nm3/h。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，为采用本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，制备得到的高含氧量FeCrAl合金粉末。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末带来的优点和技术效果，在所制得的高含氧量FeCrAl合金粉末中，氧的质量百分比很高，这表明所制得的高含氧量FeCrAl合金粉末自身携带的氧化物纳米颗粒所占质量百分比很高。当这种高含氧量FeCrAl合金粉末制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金时，由于铁铬铝合金粉末自身所携带的氧化物纳米颗粒拥有硬度高，热稳定性好等特性，并且均匀弥散分布在晶粒的边界甚至内部，在高温下又起到了阻碍位错和晶界的运动，削弱了晶粒长大的作用，大量的氧化物纳米颗粒使制得的氧化物弥散强化铁铬铝合金的高温强度等性能得到进一步提升。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其主要成分的质量百分比为：Cr：10～25％，Al：3～7％，Y：0.02～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Zr：0.05～0.2％，Mn：0.05～1％，Si：0.05～1％，O：0.12％～0.25％，N：0.005％～0.1％，Mo：0～5％，W：0～5％，其余为Fe，和杂质元素。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其中，所述FeCrAl合金粉末的形貌为球形。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其中，所述FeCrAl合金粉末的粒度≤100μm。
附图说明
图1是实施例1中氧化物弥散强化铁铬铝合金的金相图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，包括如下步骤：
a、在真空条件下，将合金原料熔炼至液态；
b、使用氩气和氧气的混合气作为雾化气体，对所述步骤a中的液态合金进行雾化制粉，得到FeCrAl合金粉末。
根据本发明实施例FeCrAl合金粉末的制备方法带来的优点和技术效果，在真空气雾化制粉技术中，通常采用氮气或氩气作为雾化气，但是氮气在高温下会与FeCrAl合金中的Al反应，氮气与大部分的Al结合生成氮化物，使颗粒无法形成保护性的氧化物；另一方面，氮气在合金粉末颗粒上会产生明显的氮化作用，而氮化作用会使合金粉末颗粒在制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金的过程中难以粘合；本发明实施例中，采用了氩气和氧气的混合气作为雾化气体，可以很好的解决这一问题，氩气的化学性质十分稳定，不与FeCrAl合金中的任一组分反应，氧气与FeCrAl合金中的各个组分反应生成大量氧化物纳米颗粒，制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金时，大量的氧化物纳米颗粒弥散分布在晶粒的边界甚至内部，制得的氧化物弥散强化铁铬铝合金的性能得到很大提升。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤a中，所述真空条件下的真空度是0.1～1Pa；所述熔炼过程的熔炼温度是1550～1650℃，所述熔炼时间是60～80min。
在本发明实施例所述方法中，如果在常压、大气中进行冶炼，组份元素中易氧化元素会在高温下发生烧损。在高真空度下进行冶炼，可以减少组份元素中易氧化元素在高温下的烧损，有助于控制成分；熔炼温度需确保所有组份元素均已熔化至液态，且有充分的时间混合均匀，以便进行合金化，保证所得合金各处成分均匀一致。
根据本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其中，所述步骤b中，所述含氧雾化气体中氧气的体积百分比为1～10％；所述雾化气体的流量为1200～1500Nm3/h。
若氧气过量，氧化反应会产生过量的三氧化二铝，三氧化二铝会在粉末颗粒表面生成一层厚且致密的膜，阻碍了氧原子向合金粉末内部扩散，使氧化物弥散效果不佳，氧气过低会导致增氧效果不明显，在本发明实施例所述方法中，采用控制雾化气体流量的方式，使整个氧化反应体系的氧含量处于一个适中状态，使含氧雾化气与液态合金反应，生成适量氧化物，所得氧化物在粉末颗粒表面呈现密集的区域性分布，而不是生成厚且致密的膜，保证了在后续处理中，氧原子可以向合金粉末内部扩散。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，为采用本发明实施例所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，制备得到的高含氧量FeCrAl合金粉末。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末带来的优点和技术效果，在所制得的高含氧量FeCrAl合金粉末中，氧的质量百分比很高，这表明所制得的高含氧量FeCrAl合金粉末自身携带的氧化物纳米颗粒所占质量百分比很高。当这种高含氧量FeCrAl合金粉末制备成氧化物弥散强化铁铬铝合金时，由于铁铬铝合金粉末自身所携带的氧化物纳米颗粒拥有硬度高，热稳定性好等特性，并且均匀弥散分布在晶粒的边界甚至内部，在高温下起到了阻碍位错和晶界的运动，削弱了晶粒长大的作用，大量的氧化物纳米颗粒使制得的氧化物弥散强化铁铬铝合金的各项性能均得到提升。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其主要成分的质量百分比为：Cr：10～25％，Al：3～7％，Y：0.02～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Zr：0.05～0.2％，Mn：0.05～1％，Si：0.05～1％，O：0.12％～0.25％，N：0.005％～0.1％，Mo：0～5％，W：0～5％，其余为Fe，和杂质元素。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其中Al，Y，Ti，Zr等元素，作为弥散强化相的主要元素，其氧化物颗粒弥散分布在晶粒及晶界处，对晶界起到钉扎的作用。合金粉末中的氧含量可以达到0.25％，氧化物纳米颗粒分布均匀，弥散分布在晶界和晶粒内部，采用这种合金粉末制备得到的氧化物弥散强化铁铬铝合金具有优异的性能，高温下拉伸性能和持久性能均有大幅度提升。
根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，其中，所述FeCrAl合金粉末的形貌为球形，粒度≤100μm。根据本发明实施例的FeCrAl合金粉末，呈现球形的粉末流动性好，而且振实密度高，这在热等静压过程中的致密化过程有极大地优势，而且粉末粒度细小，更有利于氧化物的弥散分布。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
合金原料中各组分的质量百分比为Cr：18％，Al：5％，Y：0.3％，Ti：0.1％，Zr：0.1％，Mn：0.5％，Si：0.5％，Mo：2.5％，W：2.5％，其余为Fe。采用真空熔炼，真空度为1Pa，熔炼温度是1570℃，熔炼时间是60min。熔炼后向整个装置中充入氩气保护。开始进行气雾化制粉，雾化气体为含氧10vol％的氩气和氧气的混合气体，雾化气体的流量为1200Nm3/h，得到合金粉末。
获得粉末的氧含量为0.25％，通过热等静压致密化后，所得氧化物弥散强化铁铬铝合金在1000℃下的高温拉伸性能表现为40MPa，在1000℃、14.4MPa下的高温持久性能表现为28h。
图1为所得氧化物弥散强化铁铬铝合金的金相图，从图中可以看出，氧化物颗粒分散均匀，无团聚的的现象，晶界和晶内都有氧化物颗粒弥散分布，起到钉扎的作用，在高温下减缓晶粒的长大，有利于金属材料的高温力学性能。
实施例2
合金原料中各组分的质量百分比为Cr：12％，Al：4％，Y：0.05％，Ti：0.15％，Zr：0.15％，Mn：0.2％，Si：0.2％，Mo：1％，W：1％，其余为Fe。采用真空熔炼，真空度为0.1Pa，熔炼温度是1600℃，熔炼时间是70min。熔炼后向整个装置中充入氩气保护。开始进行气雾化制粉，雾化气体为含氧5vol％的氩气和氧气的混合气体，雾化气体的流量为1300Nm3/h，得到合金粉末。
获得粉末的氧含量为0.21％，通过热等静压致密化后，所得氧化物弥散强化铁铬铝合金在1000℃下的高温拉伸性能表现为37MPa，在1000℃、14.4MPa下的高温持久性能表现为25h。
实施例3
合金原料中各组分的质量百分比为Cr：23％，Al：6％，Y：0.5％，Ti：0.2％，Zr：0.2％，Mn：1％，Si：1％，Mo：5％，W：5％，其余为Fe。采用真空熔炼，真空度为0.2Pa，熔炼温度是1650℃，熔炼时间是80min。熔炼后向整个装置中充入氩气保护。开始进行气雾化制粉，雾化气体为含氧3vol％的氩气和氧气的混合气体，雾化气体的流量为1500Nm3/h，得到合金粉末。
获得粉末的氧含量为0.17％，通过热等静压致密化后，所得氧化物弥散强化铁铬铝合金在1000℃下的高温拉伸性能表现为33MPa，在1000℃、14.4MPa下的高温持久性能表现为16h。
对比例1
与实施例1基本相同，其不同之处在于，雾化气体为纯氩气。
根据对比例1获得粉末的氧含量为0.014％，通过热等静压致密化后，所得氧化物弥散强化铁铬铝合金在1000℃下的高温拉伸性能表现为18MPa，在1000℃、14.4MPa下的高温持久性能表现为3h。
对比例2
与实施例1基本相同，其不同之处在于，雾化气体为含氧10vol％的氮气和氧气的混合气体。
根据对比例2获得粉末的氧含量为0.18％，通过热等静压致密化后，所得氧化物弥散强化铁铬铝合金在1000℃下的高温拉伸性能表现为21MPa，在1000℃、14.4MPa下的高温持久性能表现为4h。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种FeCrAl合金粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、在真空条件下，将合金原料熔炼至液态；
b、采用氩气和氧气的混合气作为雾化气体，对所述步骤a中的液态合金进行雾化制粉，得到FeCrAl合金粉末。
2.根据权利要求1所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述真空条件下的真空度是0.1～1Pa。
3.根据权利要求1所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述熔炼温度是1550～1650℃，所述熔炼时间是60～80min。
4.根据权利要求1所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述雾化气体中氧气的体积百分比为1～10vol％。
5.根据权利要求1所述的FeCrAl合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述雾化气体的流量为1200～1500Nm3/h。
6.一种FeCrAl合金粉末，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的方法制备。
7.根据权利要求6所述的FeCrAl合金粉末，其特征在于，其主要成分的质量百分比为：Cr：10～25％，Al：3～7％，Y：0.02～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Zr：0.05～0.2％，Mn：0.05～1％，Si：0.05～1％，O：0.12％～0.25％，N：0.005％～0.1％，Mo：0～5％，W：0～5％，其余为Fe，和杂质元素。
8.根据权利要求6所述的FeCrAl合金粉末，其特征在于，所述FeCrAl合金粉末的形貌为球形。
9.根据权利要求6所述的FeCrAl合金粉末，其特征在于，所述FeCrAl合金粉末的粒度≤100μm。
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