CN1664145A - 一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型合金的方法，属于氧化物弥散强化铁素体型合金材料技术领域，适用于核能领域快中子增殖反应堆燃料包壳。本方法是把母合金粉末放置于Y(NO3) 3·6H2O溶液浸润，然后干燥、热分解而得到氧化物强化相Y2O3，将此分解态的粉末装包套、真空封焊、进行热等静压致密化成型，继而锻造和固溶处理，制成含有Y2O3强化相的ODS合金。优点在于：综合实现氧化物强化相Y2O3合理弥散分布，大、中、小尺寸合理配合的铁素体型合金，作为核能快堆燃料包壳管用，具有低肿胀、低放射性和优良高温强度以及冷加工无明显各向异性和低的退火再结晶温度。大幅度降低成本，提高产品质量。

Description

一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型合金的方法
技术领域
本发明属于氧化物弥散强化铁素体型合金材料技术领域，特别是提供了一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型合金的方法，适用于核能领域快中子增殖反应堆燃料包壳。
技术背景
通常是采用机械合金化(MA：Mechanical Alloying)方法制造氧化物弥散强化型合金(ODS：Oxide Dispersion Strengthened)，但此方法在挤压态和未完全再结晶退火状态下，其组织和性能上的各向异性不仅受拉应力的高温蠕变条件下表现十分显著，而且在受压应力的室温条件下表现依然十分显著，造成合金在垂直于挤压方向的冷变形能力极差，这是管材在通常的1100℃-1200℃退火后冷轧过程中易沿挤压和轧向开裂的重要原因，所以，为从根本上改善ODS合金冷加工性能，降低挤压管坯的退火再结晶温度(达1300℃)，使合金管材的冷加工在实际工艺制造过程中切实可行，研究开发制造ODS管材合金新的工艺技术是十分必要的。
改进ODS合金的各向异性的关键在于改善弥散强化相Y2O3的弥散度和含量，在保证氧化物Y2O3的弥散度前提下，获得适宜尺寸的等轴晶和低再结晶温度的各向同性的高温强度优良的合金，是一项具有重要理论和实践意义的课题，为此研究和开发出一种新的制造ODS合金的方法(CSM：Chemical Soaking Method)，从根本上解决了ODS合金的各向异性和退火再结晶温度高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型ODS合金的方法，解决了用机械合金化法，无法解决的冷加工各向异性和高的再结晶退火温度问题。并通过科学试验和强化原理分析，得出一套完整制造ODS合金的工艺制度和参数。
本方法所以称化学浸润法  原因在于先用Y(NO3)3·6H2O溶液“浸润”粉末，然后再加热使其发生“化学”分解而得到弥散强化相Y2O3。
本发明制造ODS合金工艺要点及流程：真空熔炼母合金→氩气雾化制粉→筛分→Y(NO3)3·6H2O溶液浸润粉末→干燥→氢气保护下热分解处理→装入包套、真空封焊→热等静压致密化→锻造成型→固溶热处理。具体工艺如下：
采用真空感应炉炼制母合金制成预合金粉末，并筛分成粒度为50-150μm细粉，浸润溶液为Y(NO3)3·6H2O，在室温下，浸润时间为3-6小时，并且每隔30～35分钟进行搅拌，均匀浸润；进行浸润时，Y(NO3)3·6H2O的溶液量应满足使之分解出的Y2O3占合金总重量的0.2～0.5％，确保强化效果。干燥后将浸润态的粉末在氢气保护下于300～500℃，1.5～2.5小时保温进行化学热分解处理，获得含有Y2O3氧化物分解态预合金粉末，装入包套、真空封焊；包套所用材为低碳钢或不锈钢。再在100～120MPa的氩气氛中，于1100～1200℃热等静压2～4小时后空冷，使合金致密度达到96-98％以上，才能实行热锻造变形加工处理；将包套层去除，将热等静压坯料在1150℃～850℃进行锻造和固溶处理，制得合格的氧化物弥散强化合金；固溶处理的温度为：1100～1200，保温时间为：1～2小时，然后空冷。
本发明的优点：容易获得强化相Y2O3合理弥散度，大(300～500nm)、中(50～100nm)、小(20～50nm)尺寸体积百分数分别为0.24％、0.28％和0.15％的强化相合理匹配的弥散氧化物，容易通过“浸润分解机制”“分解析出机制”和“机械分散机制”综合实现氧化物强化相质点的强化机理。因此，本方法制造的ODS合金与机械合金化(MA)法相比，合金退火再结晶温度低，60～80％冷轧薄板退火后晶粒尺寸均匀，无明显各向异性组织，具有优良的室温和中温拉伸性能。具有优良抗辐照(e-/He+)肿胀能力，673K，10dpa，ΔV/V＝0.067-0.1％，在实际工程生产上可大幅度降低成本30％和提高冷加工成品率80％。
具体实施方式
实施例1：
采用CSM法实际生产Fe-11.5Cr-1.5W-0.4Ti-0.35Y2O3合金。
将纯Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感应炉(50Kg)熔炼成合格母合金，采用氮气雾化装置制备母合金粉末，筛分后取直径＜50～150μm细粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸润预合金粉末，室温下放置4小时，干燥成为浸润态粉末，将浸润态粉末在氢气保护下于400℃保温1.5小时，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.3％)，将分解态粉末装入直径为82mm的低碳钢包套中，抽真空后焊封，再在105Mpa的氩气中于1100～1250℃热等静压2～4小时后空冷，将包套层剥去后得到直径为65mm的热等静压态合金，将此合金在1150℃-850℃锻造成Φ25mm长棒，在1150℃固溶1.5小时空冷，测定合金室温和高温(550℃)拉伸性能和进行夏氏冲击试验，结果如下：室温拉伸强度：σ0.2＝580Mpa，σb＝950Mpa，δ％＝14.5％；550℃拉伸强度：σ0.2＝500Mpa，σb＝940Mpa，δ％＝12.1％；-25℃冲击功：16J，DBTT＝-25℃。退火再结晶温度：760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再结晶温度1300℃低500℃，60～80％冷轧板退火后晶粒尺寸均匀约10μm(ASTM9～10级)。
实施例2：
采用CSM法实际生产Fe-12Cr-2W-0.45Ti-0.4Y2O3合金。
将纯Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感应炉(50Kg)熔炼成合格母合金，采用氮气雾化装置制备母合金粉末，筛分后取直径＜50～150μm细粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸润预合金粉末，室温下放置4.5小时，干燥成为浸润态粉末，将浸润态粉末在氢气保护下于450℃保温2小时，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.4％)，将分解态粉末装入直径为82mm的低碳钢包套中，抽真空后焊封，再在100Mpa的氩气中于1100～1250℃热等静压3小时后空冷，将包套层剥去后得到直径为65.5mm的热等静压态合金，将此合金在1150℃-850℃锻造成Φ25mm长棒，在1100℃固溶2小时空冷，测定合金室温和高温(550℃)拉伸性能和进行夏氏冲击试验，结果如下：室温拉伸强度：σ0.2＝582Mpa，σb＝970Mpa，δ％＝14％；550℃拉伸强度：σ0.2＝525Mpa，σb＝920Mpa，δ％＝13％；-25℃冲击功：17J，DBTT＝-25.8℃。退火再结晶温度：760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再结晶温度1300℃低500℃，60～80％冷轧板退火后晶粒尺寸均匀约10μm(ASTM9～10级)。
实施例3：
采用CSM法实际生产Fe-12.5Cr-2.5W-0.5Ti-0.45Y2O3合金。
将纯Fe-Cr合金、W、Ti元素在真空感应炉(50Kg)熔炼成合格母合金，采用氮气雾化装置制备母合金粉末，筛分后取直径＜50～150μm细粉，用Y(NO3)3·6H2O溶液浸润预合金粉末，室温下放置4.5小时，干燥成为浸润态粉末，将浸润态粉末在氢气保护下于450℃保温2.5小时，使Y(NO3)3·6H2O分解出Y2O3(0.50％)，将分解态粉末装入直径为82mm的低碳钢包套中，抽真空后焊封，再在110Mpa的氩气中于1100～1250℃热等静压2～4小时后空冷，将包套层剥去后得到直径为65.8mm的热等静压态合金，将此合金在1150℃-850℃锻造成Φ25mm长棒，在1250℃固溶1.5小时空冷，测定合金室温和高温(550℃)拉伸性能和进行夏氏冲击试验，结果如下：室温拉伸强度：σ0.2＝590Mpa，σb＝970Mpa，δ％＝14％；550℃拉伸强度：σ0.2＝540Mpa，σb＝935Mpa，δ％＝12％；-25℃冲击功：17.5J，DBTT＝-25.4℃。退火再结晶温度：760-820℃，比母合金MA法制MGH754合金退火再结晶温度1300℃低500℃，60～80％冷轧板退火后晶粒尺寸均匀约10μm(ASTM9～10级)。

Claims (2)

1、一种用化学浸润法制造氧化物弥散强化铁素体型合金的方法，其特征在于：采用真空感应炉炼制母合金制成预合金粉末，并筛分成粒度为50-150μm细粉，浸润溶液为Y(NO3)3·6H2O，在室温下，浸润时间为3-6小时，并且每隔30～35分钟进行搅拌，均匀浸润；进行浸润时，Y(NO3)3·6H2O的溶液量应满足使之分解出的Y2O3占合金总重量的0.2～0.5％，确保强化效果；干燥后将浸润态的粉末在氢气保护下于300～500℃，1.5～2.5小时保温进行化学热分解处理，获得含有Y2O3氧化物分解态预合金粉末，装入包套、真空封焊；再在100～120MPa的氩气氛中，于1100～1200℃热等静压2～4小时后空冷，使合金致密度达到96-98％以上，才能实行热锻造变形加工处理；将包套层去除，将热等静压坯料在1150℃～850℃进行锻造和固溶处理；制得合格的氧化物弥散强化合金。
2、按照权利要求2所述的方法，其特征在于：
a.进行浸润时，Y(NO3)3·6H2O的溶液量应满足使之分解出的Y2O3占合金总重量的0.2～0.5％，确保强化效果；
b.固溶处理的温度为：1100～1200，保温时间为：1～2小时，然后空冷；
c.分解态粉末装入包套用材为低碳钢或不锈钢。
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