專利名稱：用機械合金化法制備含氮ods無鎳奧氏體合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化物彌散強化(Oxide Dispersion Strengthened,0DS)合金制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種通過高能球磨實現(xiàn)氧化物、氮元素、純金屬粉末或預(yù)合金粉末的機械合金化，獲得近球形含氮ODS無鎳合金粉末，經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)獲得其致密的用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法。
背景技術(shù)：
奧氏體不銹鋼以其良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)良的抗蝕性能、抗氧化性能、易加工成型等 優(yōu)點成為第四代核能反應(yīng)堆，如超臨界水冷堆燃料包殼的候選材料之一。但是，奧氏體不銹鋼的高溫力學(xué)性能、抗高溫蠕變能力不能滿足其使用要求。氧化物顆粒彌散強化是提高合金鋼高溫力學(xué)性能、抗輻照能力的有效手段，氧化物彌散強化的鐵素體/馬氏體鋼成為研究熱點(見L. K. Mansur, A. F. Rowcliffe, R. K. Nanstad, S. J. Zinkle, ff. R. Corwin,R.E. Stoller. Journal of Nuclear Materials 329 - 333 (2004) 166 - 172)。但是在奧氏體不銹鋼中的應(yīng)用還剛剛起步。與傳統(tǒng)合金中的強化相如碳化物、晶間相相比，氧化物彌散顆粒在高溫下的性能要穩(wěn)定的多；這些彌散分布在基體中的氧化物顆粒作為位錯移動的阻力可以有效改善合金的抗蠕變能力和高溫強度，另外，彌散分布在基體中的氧化物顆粒可以阻礙再結(jié)晶過程的進行，容易獲得穩(wěn)定的晶粒尺寸。不銹鋼中的氧化物彌散相通常通過機械合金化的方法引入。機械合金化主要通過高能球磨的方式實現(xiàn)。與其它合金化方法相比，機械合金化具有成本低、易操作、常溫下即可實現(xiàn)合金化等優(yōu)點，而且在球磨罐中可以充入不同的氣氛，除惰性氣體外，在球磨過程中可以使氣體的原子參與被球磨物質(zhì)發(fā)生的固相反應(yīng)；另外，在原料粉中加入氧化物顆粒，在球磨過程中，混合的原料粉末在球與球、球與壁、球與粉末之間的高速、反復(fù)撞擊下承受沖擊、剪切、摩擦和壓縮多種力的作用，經(jīng)歷反復(fù)的擠壓、冷焊及粉碎過程進而實現(xiàn)合金化，使得細(xì)小氧化物顆粒的彌散分布在基體合金中。普通的奧氏體不銹鋼含有較多的Ni，而Ni是常見的致敏性金屬，做為醫(yī)用及生物材料使用時容易引起生物體過敏，使用Mn代Ni是這類材料的發(fā)展方向之一。同時鎳還是高活化元素，使得其不能使用于對材料組成元素的活性有限制要求的場合，比如聚變堆面向等離子體結(jié)構(gòu)材料中，這時可以使用低活化元素Mn來代替Ni，用W來代替Mo。在奧氏體不銹鋼中引入氮，可以穩(wěn)定奧氏體組織、有效的提高鋼的強度、韌性、加工硬化能力，使鋼達(dá)到很好的強韌性配合，并且提高耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等。含氮奧氏體不銹鋼以其優(yōu)越的力學(xué)性能和耐蝕性能獲得了各國科研工作者的青睞。自20世紀(jì)80年代以來，掀起了研究含氮奧氏體不銹鋼的熱潮。含氮奧氏體不銹鋼根據(jù)含氮量可分為控氮型(N含量為0. 05-0. 10wt%)、中氮型(N含量為0. 10-0. 40wt%)和高氮型(N含量高于0. 40wt%)。國內(nèi)外制備含氮奧氏體不銹鋼的主要方法有加壓感應(yīng)熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣熔煉、反壓鑄造等。這些方法的普遍缺點是設(shè)備復(fù)雜、工藝控制困難、成本過高。近年來粉末冶金方法開始被應(yīng)用于含氮不銹鋼的研究。與用熔煉的方法制備含氮不銹鋼相比，粉末冶金方法具有設(shè)備簡單、成本低、安全性好、易實現(xiàn)等優(yōu)點。其中機械合金化是較為常用的粉末冶金方法之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，機械合金化粉末成分均勻，在1100°c退火后室溫下獲得完全奧氏體組織。這種方法能夠同時實現(xiàn)無鎳奧氏體不銹鋼的氮元素固溶強化和氧化物彌散強化(0DS)。本發(fā)明的技術(shù)方案是用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，具體包括以下步驟
用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，其特征在于，具體包括以下步驟步驟I :將Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti的純金屬元素粉與純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm 的納米 Y2O3 按質(zhì)量分?jǐn)?shù) Cr :17-20%, Mn 18-22%, W I. 5-2. 5%, Al 2-4%, Ti 0. 5-1. 0%, Y2O3
O.3-0. 6%，余量為Fe的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I配比后裝入臥式行星式高能球磨機的球磨罐中抽真空后充入高純氮氣，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30-90h，球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機lh，避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為
O.1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末;其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m, Y2O3粉末的平均粒度為30 nm ；
步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。進一步，本發(fā)明另一種用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，具體步驟如下
2.用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，具體步驟如
下
步驟I :將預(yù)合金粉末與Y2O3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)99. 7-99. 4 :0. 3-0. 6%的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I比例后裝入臥式行星式高能球磨機的球磨罐中抽真空后充入高純氮氣，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h,球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機Ih,避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末；
步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。其中，所述預(yù)合金粉末的成分為Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti，各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Cr 17-20%, Mn :18-22%, W 1. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti 0. 5-1. 0%，余量為 Fe ;預(yù)合金粉末的粒度為-200目，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。本發(fā)明的優(yōu)點
I.以錳代替鎳，同時添加適量W、Al、Ti及Y2O3采用機械合金化和熱等靜壓方法制備出具有較高力學(xué)性能和抗氧化性能的無鎳ODS奧氏體合金。2. 通過控制機械合金化過程中保護氣氛氮氣的壓力可制備不同氮含量的ODS無鎳奧氏體不銹鋼粉末，其成分均勻，含氮量可在O. 1-0.8 %之間變化。通過機械合金化這一過程，可以在無鎳奧氏體不銹鋼中同時實現(xiàn)氮的固溶強化和氧化物彌散強化(0DS)，提高無鎳奧氏體不銹鋼的高溫力學(xué)性能和耐蝕性能。
3. 制備的含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼粉末粒度細(xì)小(5-25μπι)，粒度分布范圍窄，所得粉末顆粒具有較高的球形度，利于在燒結(jié)時獲得較高密度。4. 采用熱等靜壓燒結(jié)制備得到的含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼具有亞微米細(xì)晶組織，晶粒內(nèi)彌散分布大量尺寸小于IOOnm的氧化物彌散粒子，具有較高的高溫力學(xué)性能。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。實施例I
實驗所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m， Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :18%，Mn :20%，W :1. 5%，Al :2. 5%，Ti :0. 5%, Y2O3 :0. 4%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮氣，充入氮氣的壓力為O. 5atm。球磨時間控制為60h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實際含氮量為O. 52% ;將機械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為1150°C，150MPa，保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對密度為97. 5%，其室溫抗拉強度為730MPa，延伸率為6% ；700°C時抗拉強度為230MPa，延伸率為9%。實施例2
實驗所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :17%，Mn :22%，W :2%，Al :4%，Ti
0.75%, Y2O3 :0. 6%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮氣，充入氮氣的壓力為latm。球磨時間控制為30h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實際含氮量為O. 35% ;將機械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為12001，12010^，保溫311。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對密度為98%，其室溫抗拉強度為750MPa，延伸率為5% ;700°C時抗拉強度為260MPa，延伸率為9%
O實施例3
實驗所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :19%，Mn 21%,ff 1. 75%, Al :3%，Ti
1.0%, Y2O3 0. 0. 35%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮氣，充入氮氣的壓力為O. 75atm。球磨時間控制為90h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實際含氮量為O. 78% ;將機械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為1100°C，120MPa，保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對密度為97%，其室溫抗拉強度為710MPa，延伸率為5% ；700°C時抗拉強度為215MPa，延伸率為7%。實施例4
實驗所用原料為預(yù)合金粉末(成分配比為Cr 19 %，Mn :21%，W :2. 2%，Al :3. 5%，Ti O.55%，余量為Fe)和納米Y2O3粉末(純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm)按成分配比(預(yù)合金粉末99. 5%，Y2O3 :0. 5%)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮氣，充入氮氣的壓力為O. 2 atm。球磨時間控制為40h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實際含氮量為O. 21% ;將機械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體合金。燒結(jié)條件為12001，18010^，保溫311。所得無鎳含氮ODS奧氏體合金相對密度為98. 5%，其室溫抗拉強度為850MPa，延伸率為11 % ;700°C時抗拉強度為325MPa，延伸率為14. 5%ο實施例5
實驗所用原料為預(yù)合金粉末(成分配比為Cr 17 %，Mn :18%，W :1. 5%，Al :2%，Ti :0. 5%，余量為Fe)和納米Y2O3粉末(純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm)按成分配比(預(yù)合金粉末99. 6%，Y2O3 :0. 4%)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮氣，充入氮氣的壓力為O. 9 atm ο球磨時間控制為70h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實際含氮量為O. 75 % ;將機械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體合 金。燒結(jié)條件為1200°C，180MPa,保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體合金相對密度為98. 5%，其室溫抗拉強度為860MPa，延伸率為12 % ;700°C時抗拉強度為330MPa，延伸率為15%。
權(quán)利要求
1.用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，其特征在于，具體包括以下步驟步驟I :將Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti的純金屬元素粉與純度大于99. 9 %，平均粒度為30nm 的納米 Y2O3 按質(zhì)量分?jǐn)?shù) Cr : 17-20%，Mn : 18-22%，W 1. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti 0. 5-1. 0%,Y2O3 :0. 3-0. 6%，余量為Fe的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I配比后裝入臥式行星式高能球磨機的球磨罐中抽真空后充入高純氮氣，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h，球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機lh，避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末；其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m, Y2O3粉末的平均粒度為30 nm ； 步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末采用等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。
2.用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，具體步驟如下 步驟I :將預(yù)合金粉末與Y2O3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)99. 7-99. 4 :0. 3-0. 6%的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I比例后裝入臥式行星式高能球磨機的球磨罐中抽真空后充入高純氮氣，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h,球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機Ih,避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末； 步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末采用等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金；其中，所述預(yù)合金粉末的成分為Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti，各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Cr =17-20%, Mn 18-22%, W I. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti :0. 5-1. 0%，余量為 Fe ;預(yù)合金粉末的粒度為-200 目，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。
全文摘要
本發(fā)明用機械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，以Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬元素粉末與納米Y2O3粉末按Cr17-20%，Mn18-22%，W1.5-2.5%，Al2-4%，Ti0.5-1.0%，Y2O30.3-0.6%，余量為Fe混合，裝入臥式行星式高能球磨機的球磨罐中，抽真空后充入高純氮氣，控制壓力0.1-1atm，球磨30-90h，每球磨5h，停機1h，獲得含氮量為0.1-0.8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。該無鎳奧氏體合金可同時實現(xiàn)氮的固溶強化和氧化物彌散強化，在很大程度上改善無鎳奧氏體不銹鋼在高溫環(huán)境下的服役能力。
文檔編號C22C33/02GK102828097SQ20121034119
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月16日
發(fā)明者周張健, 許迎利, 王曼, 陳萬華 申請人:北京科技大學(xué)