本發明屬于金屬彌散強化技術領域，特別提供了一種采用母合金法制備中間合金粉末，進而將中間合金粉末、基體粉末和氧化物粉末進行機械合金化以獲得氧化物彌散強化鐵基合金粉末的方法。
背景技術：
由金屬間化合物和納米氧化物共同強化的鐵素體合金具有類似鎳基合金的γ/γ’的兩相組織，有望能提高傳統鐵素體耐熱合金的使用溫度極限和高溫力學性能，在高溫結構材料領域有重要的應用前景。納米氧化物顆粒具有優異的熱穩定性和化學穩定性，在接近合金熔點的溫度下，納米氧化物仍然能對位錯的運動起到阻礙作用，是氧化物彌散強化合金中最重要的強化相。(Ni,Fe)Al金屬間化合物相(β′相)是鐵基合金中的一種有效的強化相，它是一種長程有序B2結構(CsCl型)的金屬間化合物，熔點高達1638℃，具有較高的強度和硬度。同時，β′相與鐵素體基體(β)的晶格常數非常接近，晶格錯配小，這使β′相與β基體之間容易形成共格取向關系，這為β′相的均勻形核和彌散狀析出創造了條件。在合金中添加Mn元素能夠改變金屬間化合物的相結構，使金屬間化合物由NiAl型轉變為L21型Ni2AlMn金屬間化合物，Mn元素能優先占據Al晶格，降低了形核的應變能，使金屬間化合物的數量密度增大一個數量級，并且強化相對鐵基合金延性的影響不大。Ni2AlMn金屬間化合物的強化效果優于單相NiAl相。設法降低過量氧含量，縮短球磨時間、降低能耗是控制析出相結構和提高材料綜合力學性能的關鍵。
在采用常規的機械合金化工藝制備L21型Ni2AlMn金屬間化合物和氧化物共同強化的氧化物彌散強化鐵基合金時，Ti和Mn元素容易在機械合金化過程中氧化，不僅使參與形成Ni2AlMn金屬間化合物的Mn元素減少，不能達到有效控制金屬間化合物成分的目的。長時間的球磨容易引入的夾雜及原料中的非金屬夾雜(Al-Mg-O)會降低材料的高溫力學性能。同時，Ti和Mn元素的氧化使雜質氧含量增加，導致氧化物彌散相的粗化。上述兩個因素都直接關系到金屬間化合物和氧化物的結構和熱穩定性，限制了強化效果的提升。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種制備氧化物彌散強化鐵基合金的方法。該方法制備的氧化物彌散強化鐵基合金由L21型Ni2AlMn金屬間化合物和氧化物彌散相共同強化，利用兩種析出相的強化效果的疊加提高材料的高溫力學性能。
本發明利用采用真空熔煉+電渣熔煉雙聯的工藝獲得中間合金鑄錠。在電渣熔煉的過程中，自耗電極受電阻緩慢熔化，通過調節渣池的形狀、深度、粘度等參數來創造夾雜物上浮的條件，溶化后的資耗電擊棒液滴穿過熔融的渣料層與渣料發生反應而得到提純，并在結晶器的底部重新結晶，得到低硫、組織致密、均勻、純凈的中間合金鑄錠。中間合金鑄錠在具有保護氣氛的破碎機中進行破碎得到中間合金粉末，中間合金粉末與基體粉末和氧化物粉末進行高能球磨后得到氧化物彌散強化鐵基合金粉末。氧化物彌散強化鐵基合金粉末裝入鋼包套、脫氣、封焊處理后，進行熱包套鍛造固結成型，并進行熱處理，得到最終的氧化物彌散強化鐵基合金。氧化物彌散強化鐵基合金的制備工藝流程如圖1所示，具體工藝步驟有：
1、原料預處理：以鐵塊、Fe-Mn合金、Ni-Al合金以及Fe-Ti合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5％鹽酸水溶液中進行預處理，去除表面氧化物，預處理時間為25-35min，酒精洗凈后在烘箱中于60℃下處理烘干30-90min。
2、中間合金的真空感應熔煉+電渣熔煉：將經過預處理的原料制備成中間合金，中間合金中基體元素Fe的含量為20～40wt.％，其余是Ni、Al、Ti和Mn合金元素，并且中間合金中各合金元素的質量比與目標氧化物彌散強化鐵基合金中各元素的質量比一致，目標氧化物彌散強化鐵基合金的成分為：5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe。中間合金在真空感應爐中進行熔煉，熔煉過程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600-1700℃，保溫25-35min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應熔煉的鑄錠進行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：15-20％CaO，15-20％Al2O3，1-5％TiO2,1-5％MgO，3-10％CeO，余量CaF2。將渣料加熱到熔融狀態后倒入結晶器中，通電起電弧后，調整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A；自耗電極受電阻緩慢熔化，溶化后金屬液滴穿過熔融的渣料層與渣料發生反應而得到提純，并在結晶器的底部重新結晶，得到組織致密、均勻、純凈的電渣重熔中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。
3、中間合金鑄錠破碎：將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統與保護氣氛的高速盤磨破碎裝置中進行破碎。對破碎后的粉末進行篩選，得到中間合金粉末。
4、機械合金化：將基體金屬粉末、中間合金粉末、和納米氧化物顆粒混合后進行機械合金化，基體金屬粉末為Fe粉，納米氧化物為Y2O3。首先按照合金成分配比進行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過程控制劑，以避免高能球磨過程中粉末結塊。將上述粉末預混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進行高能球磨，球磨機轉速為340～500轉/分，球磨時間為30-35h，得到機械合金化粉末。
5、燒結致密化：采用熱等靜壓工藝對機械合金化粉末進行致密化，用低碳鋼對機械合金化粉末包套，然后進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為950～1150℃，壓力為100～200MPa，保溫時間為1～3h；得到接近全致密的氧化物彌散強化鐵基合金。
6、熱處理：熱等靜壓氧化物彌散強化鐵基合金進行兩階段熱處理，首先進行固溶處理，然后進行時效處理。固溶處理溫度為800～1200℃，保溫2～4h后空冷。時效處理溫度為500～800℃，保溫2～120h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強化鐵基合金。
本發明的優點是在傳統鐵基ODS合金的基礎上，引入了納米金屬間化合物(β′相)，真空感應熔煉和電渣熔煉相結合的工藝能夠有效降低鑄錠的氧含量和非金屬夾雜的含量，合金化的中間合金防止了Mn元素的氧化。由于采用預合金化的中間合金粉末，能夠縮短合金化的時間，因此能夠縮短球磨時間，降低能耗。球磨時間的降低了長時間球磨引入夾雜的風險。中間合金粉末具有較大的晶格畸變，燒結活性高。合金中Ni2AlMn金屬間化合物和彌散相的粒徑都非常細小，而且分布均勻，強化作用顯著。
附圖說明
圖1為本發明的工藝流程圖
具體實施方式
實施例1：35wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y2O3粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強化鐵基合金
以鐵塊、Fe-Mn合金、Ni-Al合金以及Fe-Ti合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進行預處理，去除表面氧化物，預處理時間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于60℃下處理烘干90min。中間合金在真空感應爐中進行熔煉，熔煉過程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應熔煉的鑄錠進行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al2O3，1％TiO2,1％MgO，3％CeO，余量CaF2。將渣料加熱到熔融狀態后倒入結晶器中，通電起電弧后，調整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的7.73Ni-1.55Al-4.64Mn-0.46Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統與保護氣氛的高速盤磨破碎裝置中進行破碎。對破碎后的粉末進行篩選，得帶中間合金粉末。將35wt.％Fe粉、64.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y2O3粉末混合后進行機械合金化，首先按照合金成分配比進行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過程控制劑。將上述粉末預混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進行高能球磨，球磨機轉速為340～500轉/分，球磨時間為30-35h，得到機械合金化粉末。機械合金化采用低碳鋼作為包套進行真空封焊，包套進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為950℃，壓力為200MPa，保溫時間為2h；得到接近全致密的氧化物彌散強化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強化鐵基合金進行固溶和時效處理。固溶處理溫度為900℃，保溫2h后空冷。時效處理溫度為550℃，保溫100h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強化鐵基合金。
實施例2：40wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y2O3粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強化鐵基合金
以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進行預處理，去除表面氧化物，預處理時間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于70℃下處理烘干60min；中間合金在真空感應爐中進行熔煉，熔煉過程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應熔煉的鑄錠進行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al2O3，3％TiO2,3％MgO，5％CeO，余量CaF2。將渣料加熱到熔融狀態后倒入結晶器中，通電起電弧后，調整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的8.38Ni-1.68Al-5.02Mn-0.5Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統與保護氣氛的高速盤磨破碎裝置中進行破碎。對破碎后的粉末進行篩選，得帶中間合金粉末。將40wt.％Fe粉、59.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y2O3粉末混合后進行機械合金化。首先按照合金成分配比進行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過程控制劑。將上述粉末預混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進行高能球磨，球磨機轉速為340～500轉/分，球磨時間為30-35h，得到機械合金化粉末。機械合金化采用低碳鋼作為包套進行真空封焊，包套進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1000℃，壓力為150MPa，保溫時間為2h；得到接近全致密的氧化物彌散強化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強化鐵基合金進行固溶和時效處理。固溶處理溫度為1000℃，保溫3h后空冷。時效處理溫度為600℃，保溫80h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強化鐵基合金。
實施例3：50wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y2O3粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強化鐵基合金
以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進行預處理，去除表面氧化物，預處理時間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于75℃下處理烘干45min；中間合金在真空感應爐中進行熔煉，熔煉過程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至160℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應熔煉的鑄錠進行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：15％CaO，15％Al2O3，5％TiO2,5％MgO，8％CeO，余量CaF2。將渣料加熱到熔融狀態后倒入結晶器中，通電起電弧后，調整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的10.06Ni-2.01Al-6.04Mn-0.6Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統與保護氣氛的高速盤磨破碎裝置中進行破碎。對破碎后的粉末進行篩選，得帶中間合金粉末。將50wt.％Fe粉、49.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y2O3粉末混合后進行機械合金化。首先按照合金成分配比進行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過程控制劑。將上述粉末預混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進行高能球磨，球磨機轉速為340～500轉/分，球磨時間為30-35h，得到機械合金化粉末。機械合金化采用低碳鋼作為包套進行真空封焊，包套進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1100℃，壓力為130MPa，保溫時間為3h；得到接近全致密的氧化物彌散強化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強化鐵基合金進行固溶和時效處理。固溶處理溫度為1100℃，保溫4h后空冷。時效處理溫度為700℃，保溫60h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強化鐵基合金。
實施例4：60wt.％Fe粉+中間合金粉末+0.3wt.％納米Y2O3粉制備5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe氧化物彌散強化鐵基合金
以鐵塊、Fe-Mn合金以及Ni-Al合金作為原料，各種原料的純度均大于99.9％。金屬原料在5vol.％鹽酸水溶液中進行預處理，去除表面氧化物，預處理時間為30min，酒精洗凈后在烘箱中于80℃下處理烘干30min；中間合金在真空感應爐中進行熔煉，熔煉過程中采用CaO陶瓷坩堝，并在爐料熔清后加大功率，使熔池溫度上升至1600℃，保溫30min，之后降溫、充入氬氣，將鋼液澆筑成中間合金鑄錠；真空感應熔煉的鑄錠進行惰性氣氛電渣熔煉。電渣重熔渣料的成分為：20％CaO，15％Al2O3，5％TiO2,5％MgO，10％CeO余量CaF2。將渣料加熱到熔融狀態后倒入結晶器中，通電起電弧后，調整重熔電壓為35-65V、電流3000-8000A，得到純凈的12.6Ni-2.52Al-7.56Mn-0.76Ti-余量Fe中間合金鑄錠。中間合金鑄錠的氧含量為100ppm，硫含量為20ppm。將中間合金鑄錠表面氧化皮去除，在一種帶有冷卻系統與保護氣氛的高速盤磨破碎裝置中進行破碎。對破碎后的粉末進行篩選，得帶中間合金粉末。將50wt.％Fe粉、49.7wt.％的中間合金粉末、和0.3wt.％的納米Y2O3粉末混合后進行機械合金化。首先按照合金成分配比進行稱量，并在混合粉末中另外添加0.3～0.5wt.％硬脂酸作為過程控制劑。將上述粉末預混合均勻后在高純氬氣或氫氣氣氛中(99.999％)進行高能球磨，球磨機轉速為340～500轉/分，球磨時間為30-35h，得到機械合金化粉末。機械合金化采用低碳鋼作為包套進行真空封焊，包套進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為1150℃，壓力為100MPa，保溫時間為3h；得到接近全致密的氧化物彌散強化鐵基合金。熱等靜壓氧化物彌散強化鐵基合金進行固溶和時效處理。固溶處理溫度為1200℃，保溫4h后空冷。時效處理溫度為800℃，保溫24h后空冷。最終得到成分為5Ni-1Al-3Mn-0.3Y2O3-0.3Ti-余量Fe的氧化物彌散強化鐵基合金。