一種ods鐵素體不銹鋼的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及粉末冶金材料技術領域，尤其涉及一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法。
【背景技術】
[0002] 在聚變反應堆中，第一壁包層的工作環(huán)境非常惡劣，因此不僅要求第一壁包層材 料具有良好的抗氧化性、高溫抗蠕變性能，而且還要有非常好的抗輻照損傷性能。目前核 反應堆工作溫度為250~300°C，工作壓力為7~15MPa，輻照劑量為10-25dpa。未來第四 代核反應堆工作溫度可達到600~1100°C，工作壓力可達到24MPa，輻照劑量高達150~ 200dpa。目前核電站廣泛使用的包殼材料為鋯（Zr)合金，但Zr合金的機械性能較差，并存 在嚴重的輻照腫脹問題，不能滿足新型核能系統(tǒng)反應堆燃料包殼的要求。研究者篩選出了 兩類燃料包殼的候選材料，分別是鎳基合金和鐵基不銹鋼（包括奧氏體不銹鋼、低活性的 鐵素體/馬氏體鋼（F/M雙相鋼）以及鐵素體不銹鋼等）。研究表明：與Ni基合金和奧氏體 不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼具有更優(yōu)良的抗腫脹性能；與F/M雙相鋼相比，鐵素體不銹鋼具 有較高的抗高溫蠕變性能。在鐵素體不銹鋼中引入彌散分布的氧化物顆粒（如Y 2〇3、Ti02、 Zr02、Al203以及MgO等）可以顯著提高鐵素體不銹鋼的抗高溫蠕變性能，這類氧化物彌散強 化的鐵素體不銹鋼稱為ODS鐵素體鋼。其中，Y 2O3具有優(yōu)異的高溫相結構穩(wěn)定性、很低的中 子吸收界面，是制備ODS鐵素體鋼的理想添加相。截止目前，添加 Y2O3的ODS鐵素體鋼被認 為是第四代核能系統(tǒng)反應堆第一壁包層最具潛力的候選材料。
[0003] ODS鐵素體不銹鋼的制備工藝關鍵在于如何將納米氧化物顆粒均勻地分散到鐵基 體中。傳統(tǒng)ODS鐵素體鋼以機械合金化（MA)方法為主，如附圖1所示，通過高能球磨使Y 2O3 等氧化物顆粒彌散分布在鐵基體內，然而傳統(tǒng)M法存在球磨時間長、Y2O3易分解反應、含氧 量不易控制以及微觀組織復雜等固有缺點。傳統(tǒng)的粉末冶金技術（PM)技術可以規(guī)避MA方 法的固有缺點，但現(xiàn)有PM技術缺乏對Y 2O3顆粒在鐵素體內的尺寸分布和位置分布的控制， 導致制備的ODS鐵素體鋼強韌性較差。專利申請人在前期對鋁基復合材料的研究過程中發(fā) 現(xiàn)納米片狀粉末具有特殊的燒結粗化行為，這種特殊的燒結粗化行為顯著影響氧化物顆粒 在鋁基體內的尺寸分布和位置分布。由此，申請人提供了一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術問題在于提供一種Y2O3彌散分布的ODS鐵素體不銹鋼的制備方 法，且制備的ODS鐵素體不銹鋼的力學性能較好。
[0005] 有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环NODS鐵素體不銹鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0006] A)，制備鐵素體不銹鋼預合金粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W ;
[0007] B)，將所述鐵素體不銹鋼預合金粉末進行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預合 金粉末；
[0008] C)，將所述片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末進行過濾，烘干后與Y2O3粉末進行混粉 處理，得到復合粉末；
[0009] D)，將所述復合粉末進行冷壓，再進行粉末燒結，然后將燒結后的材料進行熱擠 壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。
[0010] 優(yōu)選的，所述鐵素體不銹鋼預合金粉末采用霧化法制備得到。
[0011] 優(yōu)選的，所述低能球磨為濕磨。
[0012] 優(yōu)選的，步驟B)中所述低能球磨的磨球直徑為10mm、5mm和3mm的淬火鋼球，球料 比為20:1，所述低能球磨的轉速為150~250rpm，所述低能球磨的時間為5~15h。
[0013] 優(yōu)選的，步驟A)中所述鐵素體不銹鋼預合金粉末的平均粒徑為100 μπι以下。
[0014] 優(yōu)選的，所述混粉處理為濕法混粉。
[0015] 優(yōu)選的，所述ODS鐵素體不銹鋼中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于I. 5wt %，Y2O3的含量小于或等于I. 5wt %。
[0016] 優(yōu)選的，所述Y2O3粉末的粒徑為50nm以下。
[0017] 優(yōu)選的，所述粉末燒結的溫度為1100°C~1300°C，時間為2~5h。
[0018] 優(yōu)選的，所述熱擠壓的溫度為850°C~1100°C，擠壓比為10:1~30:1。
[0019] 本申請?zhí)峁┝艘环NODS鐵素體不銹鋼的制備方法，其首先將ODS鐵素體不銹鋼預 合金粉末進行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末，再將片狀鐵素體不銹鋼預合 金粉末進行過濾，烘干后與Y 2O3粉末進行混粉處理，得到復合粉末，最后將復合粉末進行冷 壓、粉末燒結和熱擠壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。本申請在低能球磨的過程中，由于球磨速 度較低，能量較低，鐵素體預合金粉末在球磨過程中不發(fā)生機械合金化作用，而發(fā)生塑性變 形，使鐵素體預合金粉末變成片粉狀，提高了鐵素體不銹鋼預合金粉末的比表面能；再以其 作為基體材料添加 Y2O3粉末，使Y 2〇3均勻地分散到鐵素體不銹鋼中，最終得到了強度高、韌 性好的ODS鐵素體不銹鋼。
【附圖說明】
[0020] 圖1為傳統(tǒng)機械合金化法制備ODS鐵素體鋼的工藝方法示意圖；
[0021] 圖2為采用本發(fā)明制備ODS鐵素體鋼的工藝方法示意圖；
[0022] 圖3為隨球磨時間增長鐵素體不銹鋼粉末形貌及尺寸變化的SEM照片；
[0023] 圖4為本發(fā)明制備氧化物彌散強化ODS鐵素體鋼的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了進一步理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是 應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權利要求的 限制。
[0025] 本發(fā)明實施例公開了一種ODS鐵素體不銹鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0026] A)，制備鐵素體不銹鋼預合金粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W ;
[0027] B)，將所述鐵素體不銹鋼預合金粉末進行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預合 金粉末；
[0028] C)，將所述片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末進行過濾，烘干后與Y2O3粉末進行混粉 處理，得到復合粉末；
[0029] D)，將所述復合粉末進行冷壓，再進行粉末燒結，然后將燒結后的材料進行熱擠 壓，得到ODS鐵素體不銹鋼。
[0030] 如圖4所示，圖4為本發(fā)明制備ODS鐵素體不銹鋼的流程示意圖。根據(jù)圖4,本申 請制備ODS鐵素體不銹鋼的過程主要包括：利用低能球磨工藝對鐵素體不銹鋼預合金粉末 進行活化處理，提高其表面能；其次對片狀粉末進行表面改性并與納米氧化物顆粒進行混 粉；然后除氣、固結、燒結處理；最后通過熱擠壓使鐵素體不銹鋼致密化，得到了 ODS鐵素體 不銹鋼。
[0031] 按照本發(fā)明，在制備ODS鐵素體不銹鋼的過程中，首先制備鐵素體不銹鋼預合金 粉末，所述鐵素體不銹鋼中含有Ti或W。所述鐵素體不銹鋼預合金粉末的平均粒徑小于100 微米，顆粒越細小，越有利于燒結性能的提高。本申請所述鐵素體不銹鋼預合金粉末優(yōu)選采 用水霧法制備得到。所述鐵素體不銹鋼中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于 I. 5wt%。
[0032] 本申請將所述鐵素體不銹鋼預合金粉末進行低能球磨，得到片狀鐵素體不銹鋼預 合金粉末。鐵素體不銹鋼預合金粉末為BCC晶體結構，室溫下滑移系多，具有較高的塑性變 形能力。在低能球磨過程中，由于球磨速度較低，能量較低，鐵素體不銹鋼預合金粉末在球 磨過程中不發(fā)生機械合金化作用，而發(fā)生塑性變形，也即所謂的微乳制。如附圖3所示，圖3 為隨球磨時間增長鐵素體不銹鋼粉末形貌及尺寸變化的SEM照片；其中圖2a為初始水霧化 410L鐵素體不銹鋼預合金粉末的SHM照片，圖2b為球磨Ih后的預合金粉末的SHM照片，圖 2c為球磨3h后的預合金粉末的SEM照片，圖2d為球磨7h后的預合金粉末的SEM照片，由 圖3可知，在濕磨過程中，鐵素體不銹鋼預合金粉末在微乳作用下變成片粉狀，隨著球磨時 間的延長，片狀粉末厚度可以細化到納米級。
[0033] 本申請所述低能球磨優(yōu)選為濕磨，所述濕磨的助磨劑優(yōu)選為硬脂酸，所述濕磨的 介質優(yōu)選為乙稀醇。所述低能球磨的磨球直徑為l〇mm、5mm和3mm的淬火鋼球，球料比為 20:1，所述低能球磨的轉速為150~250rpm，所述低能球磨的時間為5~15h。
[0034] 本發(fā)明然后將得到的納米級片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末進行過濾，烘干后與 Y2O3粉末進行混粉處理，得到復合粉末。納米片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末具有特殊的燒結 粗化行為，以納米片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末作為基體材料，通過組裝Y 2O3粉末，使Y 2〇3 彌散分布于片狀鐵素體不銹鋼預合金粉末表面，有利于獲得強度高、韌性好的ODS鐵素體 不銹鋼。在上述過程中，所述Y2O 3粉末的粒徑為50nm以下，Y 203粒徑越細，彌散強化效果越 好，最終獲得的塊體鐵素體ODS鋼性能越好。所述Y 2O3在鐵素體不銹鋼中的含量小于或等 于1. 5wt %。本申請所述混粉處理優(yōu)選為干法混粉或濕法混粉，所述干法混粉是在室溫下， 在滾筒球磨機上片狀預合金粉末與Y2O 3納米顆粒進行球磨混合，但是Y 2〇3分散性不好；所 述濕法混粉是對Y2O3納米顆粒和鐵素體片狀預合金粉末進行表面處理，如前者羧基化，后 者羥基化，然后在滾筒球磨機上進行混粉。本申請所述混粉處理優(yōu)選為濕法混粉。
[0035] 按照本發(fā)明，再將復合粉末進行冷壓，使復合粉末固結成型；然后進行燒結，最后 進行擠壓。上述過程中，所述燒結的溫度優(yōu)選為IKKTC~1300°C，所述燒結的時間優(yōu)選為 2~5h。所述熱擠壓的溫度優(yōu)選為850~1100 °C，所述熱擠壓的擠壓比優(yōu)選為10:1~30:1。
[0036] 通過對比圖1和圖2可知，傳統(tǒng)工藝將鐵素體鋼預合金粉末和Y2O3顆粒一起放入 球磨機，進行高能球磨，在高能球磨過程中Y2O3分解并與鐵素體預合金粉末發(fā)生反應；而本 申請將鐵素體不銹鋼預合金粉末進行長時間低能球磨以制備片狀預合金粉末，再過濾烘干 收集片狀預合金粉末，繼而將納米Y2O 3顆粒和片狀預