稀土氧化物彌散強(qiáng)化鐵基鋼合金

1、氧化鑭彌散強(qiáng)化鐵基鋼合金的制備及性能研究二期閱讀匯報(bào)第一章 緒論一、前言延伸閱讀稀土氧化物摻雜鋼合金工藝1.1固-固摻雜在鐵基體的粉末中直接添加稀土氧化物粉末，基體來(lái)自于高純度的母合金錠制成的粉末，第二相即為納米級(jí)稀土氧化物粉末。在制取摻雜粉末的過(guò)程中，一般采用機(jī)械混合法，用球磨機(jī)等設(shè)備將粉末機(jī)械地?fù)胶途鶆颉诫s粉末制取以后，再經(jīng)壓制成形、燒結(jié)、燒結(jié)后處理、軋制等工藝，最終制得所需的坯料、板材或線材等。在摻雜量比較大的情況下，固-固摻雜工藝是可行的，摻雜物可以比較均勻的分布在基體粉末中。它的優(yōu)點(diǎn)是可以很好的控制摻雜量，生產(chǎn)周期短，易于組織生產(chǎn)及實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但是在摻雜量很少時(shí)，特別是制取低稀土鋼

2、材時(shí)，固-固摻雜就很難保證摻雜均勻，不均勻的粉末也就很難制出均勻的燒結(jié)坯，從而導(dǎo)致所制得的鋼材性能不能達(dá)到理想要求。1.2液-固摻雜在摻雜量很少時(shí)，固-固摻雜很難保證摻雜的均勻性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，摻雜劑可以以溶液的方式摻雜在鋼合金粉末中，即采用液-固摻雜方式。液-固摻雜是將稀土元素以稀土鹽溶液的形式加入到鋼合金粉中。在還原過(guò)程中，稀土鹽分解，鋼合金粉中的稀土元素以氧化物和稀土-鐵復(fù)合氧化物的形式存在。摻雜鋼合金粉末再經(jīng)壓制成形、燒結(jié)、燒結(jié)后處理、軋制等工藝，最終制得所需的坯料、板材或線材等。液-固摻雜是在固-固摻雜的方法上發(fā)展起來(lái)的，無(wú)論是高稀土摻雜還是低稀土摻雜，都可以保證稀土元素分布較均

3、勻，摻雜量容易控制。但液-固摻雜的后續(xù)工序長(zhǎng)，生產(chǎn)周期也較長(zhǎng)，設(shè)備投入多，加入調(diào)漿不均或烘干時(shí)出現(xiàn)偏析的話，它的均勻性還是不好的。1.3液-液摻雜稀土氧化物在鐵基體中主要起彌散強(qiáng)化作用，因此，彌散相的均勻分布有著重要意義。固-固摻雜和液-固摻雜都難以充分保證稀土元素在基體中均勻分布。如果將摻雜基體和摻雜劑都以溶液方式混合在一起，基體和摻雜元素的均勻性就必然好得多。稀土氧化物液-液摻雜是一種新技術(shù)，目前研究和報(bào)道的很少。二、鋼的熱強(qiáng)性2.1高溫蠕變金屬在高溫下長(zhǎng)時(shí)間承受載荷時(shí)，工件在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，這是零件的失效形式往往不是斷裂而是尺寸超過(guò)允許變形量，這種塑性變形稱(chēng)

4、為蠕變。高溫時(shí)，材料受力作用時(shí)間越長(zhǎng)，它的強(qiáng)度值越低。熱強(qiáng)行表示金屬在高溫和在和長(zhǎng)時(shí)間作用下抵抗蠕變和斷裂的能力，即高溫強(qiáng)度。如圖所示是典型的蠕變曲線。對(duì)于一定的材料，蠕變的大小是應(yīng)力、溫度和時(shí)間的函數(shù)。蠕變曲線揭示了高溫下金屬?gòu)?qiáng)度本質(zhì)的變化規(guī)律?？梢哉J(rèn)為，蠕變現(xiàn)象的本質(zhì)是金屬在高溫和應(yīng)力雙重作用下金屬?gòu)?qiáng)化和弱化（消強(qiáng)化）兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。在常溫下，當(dāng)金屬承受的應(yīng)力超過(guò)其屈服極限時(shí)，會(huì)發(fā)生變形，并由變形引起強(qiáng)化。當(dāng)強(qiáng)化使強(qiáng)度與承受的應(yīng)力相等時(shí)，會(huì)發(fā)生變形，并由變形引起強(qiáng)化。當(dāng)強(qiáng)化時(shí)強(qiáng)度與承受的應(yīng)力相等時(shí)，變形即告終止。這時(shí)，即使長(zhǎng)時(shí)間承受應(yīng)力，也不會(huì)有蠕變現(xiàn)象發(fā)生?？墒侨绻饘偈茌d

5、時(shí)所處的溫度超過(guò)該金屬的再結(jié)晶溫度，那么在形變強(qiáng)化的同時(shí)，金屬組織中會(huì)發(fā)生回復(fù)及再結(jié)晶等一系列的消強(qiáng)化過(guò)程，則純強(qiáng)化結(jié)果永遠(yuǎn)不能與外部載荷達(dá)到平衡，新的變形將持續(xù)產(chǎn)生，因而出現(xiàn)了蠕變現(xiàn)象。由于弱化過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以蠕變的變形量也是時(shí)間的函數(shù)。2.2表證材料的熱強(qiáng)行指標(biāo)表征材料的熱強(qiáng)性指標(biāo)主要有以下幾種：（1） 蠕變極限：是指在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使材料產(chǎn)生一定蠕變變形量的最大應(yīng)力。如=68.6MN/m²，表示鋼在550經(jīng)10h工作或?qū)嶒?yàn)后，允許總變形量為1%時(shí)的應(yīng)力為68.6MN/m²。（2） 持久強(qiáng)度：是指在規(guī)定的溫度下（T），材料達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（）而不發(fā)生

6、斷裂的最大應(yīng)力，通常用 表示，如表示在700下，經(jīng)1000h后的破壞應(yīng)力。（3） 持久壽命：是指材料在某一定溫度和規(guī)定應(yīng)力作用下，從作用開(kāi)始到拉斷的時(shí)間，是表征材料在高溫下對(duì)破斷的抗力的指標(biāo)。（4） 應(yīng)力松弛：材料在高溫長(zhǎng)期應(yīng)力作用下，其總變形量不變，材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而自發(fā)地逐漸下降的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。（5） 機(jī)械疲勞：高溫機(jī)械疲勞指金屬材料抵抗高溫疲勞能力的大小，用在一定溫度下測(cè)得的疲勞極限來(lái)表示，疲勞極限表現(xiàn)一種材料對(duì)周期應(yīng)力的承受能力。（6） 熱疲勞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤(pán)等零部件經(jīng)常在溫度急劇交變的情況下工作，同樣，電廠中汽輪機(jī)的部件也會(huì)出現(xiàn)由于溫度交變而造成的損壞現(xiàn)象

7、。三、耐熱鋼及耐熱合金3.1提高耐熱鋼高溫強(qiáng)度的措施從材料的強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，提高耐熱鋼高溫強(qiáng)度的措施有以下幾個(gè)：（1） 強(qiáng)化基體，提高合金基體原子間的結(jié)構(gòu)力，增大原子自擴(kuò)散激活能。金屬熔點(diǎn)越高，金屬原子間結(jié)合將越強(qiáng)，耐熱合金要選用熔點(diǎn)高的金屬作為基體，鐵基、鎳基、鉬基耐熱合金的熔點(diǎn)依次升高。（2） 采用面立方結(jié)構(gòu)的鋼或合金。因?yàn)槊嫘牧⒎骄Ц癖润w心立方晶格致密度大，結(jié)合力強(qiáng)，再結(jié)晶溫度高。（3） 強(qiáng)化晶界和改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)。提高晶界激活能，阻礙晶界運(yùn)動(dòng)。（4） 使晶粒粗化。高溫使金屬的破斷與常溫下不同，主要是沿晶界發(fā)生，晶粒粗大則晶界少，高溫強(qiáng)度高。（5） 改變金屬中位錯(cuò)組態(tài)。位錯(cuò)在滑移（或

8、孿生）時(shí)受到運(yùn)動(dòng)阻力越大，則金屬抗變形能力越大；而減緩位錯(cuò)的擴(kuò)散、攀移也會(huì)抑制擴(kuò)散形變。因此改變金屬中位錯(cuò)組態(tài)對(duì)熱強(qiáng)性的影響將起巨大的作用。（6） 彌散相強(qiáng)化。合金中的第二相質(zhì)點(diǎn)周?chē)嬖趹?yīng)力場(chǎng)，這種應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，因而可強(qiáng)化合金。這種強(qiáng)化作用效果取決于彌散相質(zhì)點(diǎn)的大小、分布和高溫下的穩(wěn)定性。（7） 鋼中加入能提高再結(jié)晶溫度的合金元素如Cr、Mo，可提高鋼的高溫強(qiáng)度。（8） 采用適當(dāng)?shù)臒崽幚怼Ｒ环矫婺蜔徜摽梢垣@得需要的晶粒度，另一方面可以改善強(qiáng)化相的分布狀態(tài)，調(diào)整基體與強(qiáng)化相的成分。3.2耐熱鋼分類(lèi)耐熱鋼的分類(lèi)方法有很多，但主要有兩種。（1） 按組織結(jié)構(gòu)分類(lèi)。由于耐熱鋼的化學(xué)成分及熱

9、處理工藝不同，根據(jù)鋼的組織狀態(tài)可分為以下幾種：珠光體型耐熱鋼。這類(lèi)耐熱鋼的組織主要是珠光體，一般在600以下工作，低合金鉻鎢鋼、鉻硅鋼、鉻鎳鋁鋼是這類(lèi)耐熱鋼的類(lèi)型，在蒸汽輪機(jī)和鍋爐制造中應(yīng)用廣泛。鐵素體類(lèi)型耐熱鋼。這類(lèi)鋼的組織是以鐵素體為基體，一般在350650溫度范圍內(nèi)工作，06Cr13Si3、10Cr17、16Cr25N等鋼種均屬此類(lèi)，由于它們具有優(yōu)異的抗氧化和耐水溶液腐蝕的性能，因此在動(dòng)力工業(yè)、石油等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。奧氏體型耐熱鋼。該類(lèi)鋼的組織以?shī)W氏體為基體，可在600870溫度范圍內(nèi)工作，作為抗氧化鋼可用到1200，代表性的鋼種是含鎳高于8%的鉻鎳奧氏體耐熱鋼，它們具有優(yōu)異的抗氧

10、化性能、良好的冶煉加工性能以及力學(xué)性能。因此在各類(lèi)工業(yè)中應(yīng)用廣泛。馬氏體型耐熱鋼。含鉻為9%13%的鉻鋼是該類(lèi)鋼的代表，在室溫下組織為馬氏體。在650以下具有較好的抗氧化性能，在600以下具有較好的熱強(qiáng)性，因此在蒸汽輪機(jī)制造中獲得了廣泛的應(yīng)用。（2） 按照鋼的特性可為以下幾種：抗氧化鋼。這類(lèi)鋼在高溫下具有較好的抗氧化性能而強(qiáng)度要求不高。例如，制造各類(lèi)加熱爐用零件和熱交換器，制造鍋爐用吊掛、加熱爐爐底板和輥道以及爐管等，在這些情況下，抗氧化性能是主要指標(biāo)，部件本身并不承受很大的附加應(yīng)力。熱強(qiáng)鋼。它是指在高溫時(shí)既能承受相當(dāng)?shù)母郊討?yīng)力又要具有優(yōu)異的抗高溫氣體腐蝕的鋼種。例如，汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和

11、葉片，高溫下工作的螺栓和彈簧，內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣閥、排氣閥等。耐熱合金。它是指使用溫度一般可達(dá)850以上的鎳基和難熔金屬為基的合金，主要有FeNi基、Ni基、Co基。由于以鎳和難熔金屬為基的耐熱合金具有比鐵及合金更高的耐熱溫度，又有良好的工藝性能，因而耐熱高溫合金特別是鎳基合金得到了廣泛使用。3.3耐熱鋼的合金化為提高耐熱鋼的抗氧化性和熱強(qiáng)性，耐熱鋼中常用的合金元素有鉻、鉬、鎢、鋁、硅、鎳、鈦等。（1） 碳。碳能強(qiáng)化鋼，在較低溫度工作時(shí)，鋼的蠕變主要以滑移為主，碳起積極作用；在高溫時(shí)，鋼的蠕變以擴(kuò)散塑性變形為主，而碳促進(jìn)了鐵原子的自擴(kuò)散，碳起不利作用。（2） 鉻。鉻是提高耐熱鋼抗氧化性。耐蝕性的主要

12、元素。（3） 鉬。鉬是提高低合金耐熱鋼熱強(qiáng)性的主要元素，溶入基體起固溶強(qiáng)化作用。（4） 鋁。鋁是提高抗氧化性的主要元素，可以提高FeO生成的溫度，改善鋼的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。（5） 硅。硅是提高抗氧化性的元素。（6） 鎳。鎳主要為了改善鋼的工藝性能，獲得奧氏體組織而加入的，其對(duì)抗氧化性影響不大。（7） 錳。錳對(duì)鋼的抗氧化性影響較弱，能擴(kuò)大FeO的生成溫度范圍，略降低抗氧化性能。（8） 釩、鈦、鈮。這些元素能形成穩(wěn)定的碳化物，提高鋼的松弛穩(wěn)定性，也能提高熱強(qiáng)性。（9） 稀土。少量稀土金屬能夠提高耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化性能。四、粉末冶金高溫合金粉末冶金高溫合金是指在650以上的高應(yīng)力狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間使用

13、的材料。按基體元素主要可分為鐵基高溫合金（650850）、鎳基高溫合金（8001100）和鈷基高溫合金（8001100）。為改進(jìn)噴發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和使用性能，要求不斷研制出強(qiáng)度較高的高溫合金。但這些高溫合金在強(qiáng)度增高的同時(shí)，常規(guī)的熱加工性卻大大變壞，而粉末冶金工藝可以改變這種狀態(tài)，故常用粉末冶金高溫合金來(lái)替代相應(yīng)的傳統(tǒng)的鑄鍛材料。4.1彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化材料是指金屬或合金基體相與高度彌散的、基本上不溶于基體的金屬或非金屬相所組成的粉末冶金材料。彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度不僅取決于基體和彌散相的本性，而且還決定于彌散相的數(shù)量、粒度和粒度分布、形態(tài)以及彌散像與基體的結(jié)合情況，同時(shí)也與制造工藝相關(guān)。彌散強(qiáng)化材料的

14、主要特征是高溫強(qiáng)度高和抗蠕變性能好。強(qiáng)化機(jī)理與沉淀強(qiáng)化類(lèi)似。但沉淀強(qiáng)化合金在高于沉淀相生成溫度加熱時(shí)，沉淀相會(huì)發(fā)生粗化和重溶，因此使用溫度受到限制。而彌散強(qiáng)化合金，彌散相可以穩(wěn)定到基體固相線溫度。彌散質(zhì)點(diǎn)的存在改變了合金的屈服強(qiáng)度、加工硬化、蠕變和斷裂行為。高溫強(qiáng)度，特別是蠕變速率受彌散相幾何參數(shù)即基體中質(zhì)點(diǎn)間的間距、質(zhì)點(diǎn)的直徑、形狀（長(zhǎng)寬比）的影響。其機(jī)制既受位錯(cuò)繞過(guò)第二項(xiàng)的影響，也受晶界滑移的影響，還沒(méi)有一個(gè)被普遍接受的蠕變模型。彌散相選擇的一般原則是：生成自由能高，熔點(diǎn)高，與基體不互溶，相界能低（即界面結(jié)合良好）等。彌散相通常是氧化物，也可以是穩(wěn)定的金屬間化合物，甚至是純金屬。4.2氧化

15、物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金不能用常規(guī)的熔鑄工藝制造彌散強(qiáng)化材料，因?yàn)槿廴诮饘倥c氧化物之間的界面能很高，這將導(dǎo)致熔體中產(chǎn)生偏析。因此現(xiàn)行的制造彌散強(qiáng)化材料的工藝都是粉末冶金法?？梢杂媒M分的簡(jiǎn)單機(jī)械混合或用鹽溶液共同沉淀，用高能球磨進(jìn)行機(jī)械合金化以及內(nèi)氧化等方法來(lái)制備彌散強(qiáng)化材料的混合料，然后再將其進(jìn)行成形和固結(jié)。4.2.1氧化物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金的分類(lèi)在此引入氧化物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金。當(dāng)前的研究主要集中在低活性鐵素體鋼(RAF)和低活性鐵素體/馬氏體雙相鋼(RAFM)兩大類(lèi)，主要區(qū)別在于Cr的含量，鐵素體鋼的Cr含量在14-20wt.%，而鐵素體/馬氏體鋼的Cr含量大約在9-12wt.%。其中，

16、這兩種ODS鐵基高溫合金的常見(jiàn)牌號(hào)分別有：ODS鐵素體鋼代表有PM2000,MA957,12YWT,14YWT,ODS鐵素體/馬氏體鋼主要有ODS Eurofer97,9Cr-ODS。通常，ODS鐵素體鋼比ODS鐵素體/馬氏體鋼的室高溫拉伸強(qiáng)度及蠕變強(qiáng)度高，而相對(duì)ODS鐵素體鋼的各向異性，ODS鐵素體/馬氏體鋼的各向同性特征更具穩(wěn)定性：在各個(gè)方向的力學(xué)性能基本差別不大。具有納米特征強(qiáng)化的ODS鐵素體鋼有一個(gè)較大的缺陷就是合金的斷裂朝性較差。4.2.2納米特征ODS鐵素體鋼的特點(diǎn)納米特征ODS鐵素體鋼具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：1、機(jī)械合金化粉末經(jīng)過(guò)熱固結(jié)成型后，合金的晶粒組織細(xì)小，約100到幾百個(gè)nm；

17、2、基體中彌散分布著體積分?jǐn)?shù)達(dá)1024數(shù)量級(jí)、尺度約為2-5nm的氧化物粒子?；谝陨蟽蓚€(gè)基本特征，合金的晶粒組織很穩(wěn)定，在800長(zhǎng)時(shí)間熱暴露，也不會(huì)發(fā)生明顯長(zhǎng)大，同時(shí)彌散顆粒也沒(méi)有明顯的粗化和減少。這些都給合金的高溫蠕變提供良好的條件。第二章 氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體鋼的制備一、基體與彌散相的選取1.基體的選取不同的金屬具有不同的屬性。就同種金屬來(lái)看，純金屬的強(qiáng)度就不如固溶體的大，如果使基體合金化形成固溶體，則強(qiáng)度會(huì)有提高。據(jù)此，實(shí)驗(yàn)中的基體應(yīng)選取70um的霧化預(yù)合金粉末。2.彌散相的選取彌散相粒子穩(wěn)定而不長(zhǎng)大是強(qiáng)化的前提之一。同時(shí)，彌散相要求具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的熔點(diǎn)。從熱力學(xué)來(lái)說(shuō)，要求彌散

18、相的生成自由能負(fù)值大。因?yàn)槲镔|(zhì)生成自由能的大小反映物質(zhì)的穩(wěn)定性，生成自由能負(fù)值越大，彌散相在合金中就越穩(wěn)定。從這一點(diǎn)出發(fā)，一般認(rèn)為選用氧化物作彌散相比碳化物、氯化物、硼化物、硅化物較好。 此外，彌散相也要求具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大量實(shí)踐證明，彌散相的含量一般可在1一15的范圍內(nèi)選用。當(dāng)含量一定時(shí)，粒子愈細(xì)，則粒子數(shù)愈多，因而粒子間距也就愈小。這些彌散相的幾何因素是影響材料強(qiáng)度的重要因素。據(jù)此，實(shí)驗(yàn)中的彌散相應(yīng)選取20nm的La2O3陶瓷粉末。二、氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體鋼的制備步驟2.1粉末的制備2.1.1預(yù)合金粉末的制備氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體鋼預(yù)合金粉末的制備主要采用氣體霧化法，在氣體霧化法中運(yùn)用惰

19、性氣體霧化法。惰性氣體霧化法是指經(jīng)真空熔煉的合金料在霧化設(shè)備的真空室中熔化，母合金冶煉用于粉末霧化的坯料是已經(jīng)經(jīng)過(guò)合金元素配比、熔煉的母合金錠。母合金錠要求具有高的純潔度，否則其中的雜質(zhì)會(huì)被引入粉末中從而影響最終性能。一般粉末的這種霧化工藝都利用難熔耐火材料來(lái)進(jìn)行金屬的熔煉以及熔融金屬的傳輸，它們是引入夾雜物污染的主要來(lái)源，而且是充分實(shí)現(xiàn)最高性能的限制因素。2.1.2預(yù)合金粉末與氧化物陶瓷粉末機(jī)械合金化機(jī)械合金化（Mechanical Alloying, MA)是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)粉末和球之間的劇烈碰撞、沖擊、摩擦，使粉末顆粒之間反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂的循環(huán)過(guò)程，同時(shí)粉末顆粒中的原

20、子發(fā)生擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)合金化的一種粉末制備技術(shù)。MA制粉是制備ODS鐵基合金的重要工藝。傳統(tǒng)熔煉法很難把La2O3等氧化物均勻分散到Fe基體中，而MA法能有效解決這個(gè)問(wèn)題。目前MA的原料多數(shù)采用霧化預(yù)合金粉與細(xì)小氧化物顆粒（如La2O3) ，也有直接釆用元素粉和細(xì)小氧化物顆粒進(jìn)行MA。預(yù)合金粉和元素粉MA后得到的粉末形態(tài)類(lèi)似，但元素粉MA后得到的粉末比預(yù)合金粉含氧量高、亞晶和顆粒尺寸小、粉末表面積和硬度值大。MA氣氛對(duì)ODS鐵基合金的性能有較大影響：使用氦保護(hù)比氬更能抑制合金的輻照腫脹;氦氣氣氛保護(hù)MA后粉末中的0、N含量明顯比氬氣氛的低。在機(jī)械合金化過(guò)程過(guò)程中引入Ti、La和0元素是制備ODS

21、合金重要的一步。La2O3粉末在MA過(guò)程中被打碎并嵌入到粉末基體里面。MA制備的粉末具有細(xì)小的晶粒和很高的位錯(cuò)密度。經(jīng)過(guò)MA，霧化預(yù)合金粉由球形變成扁片狀和針狀，顆粒和晶粒尺寸減小，并形成均勻細(xì)小的納米晶，晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。La在合金中以兩種方式存在，一種是以La原子和0原子的形式固溶于基體，另一種是以納米尺寸La2O3顆粒分散鑲嵌在鐵基合金粉末顆粒的表層。球磨前期粉末中鑲嵌有細(xì)小的La2O3和Ti顆粒；隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，粉末中La2O3和Ti以原子形式溶入基體。在球磨粉末和球磨退火粉末中，均發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定的納米氧化物結(jié)構(gòu)，這些亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)會(huì)在高溫下消失并形成氧化物。球磨過(guò)程會(huì)引入C和Ar等雜質(zhì)，

22、影響材料最終性能。隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末和晶粒尺寸會(huì)達(dá)到一極小值，隨后粉末尺寸會(huì)因團(tuán)聚變大。2.2熱固結(jié)成形目前ODS鐵基合金致密化主要采用熱等靜壓和熱擠壓成型。熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP)熱等靜壓是一種在真空條件下利用高溫高壓手段將粉末熱固結(jié)成型的工藝。熱等靜壓工藝的關(guān)鍵在于溫度、壓力和時(shí)間的控制。首先，熱等靜壓的溫度不能過(guò)高，這樣可以避免彌散相的長(zhǎng)大；其次，熱等靜壓的壓力選擇應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)溫度合金材料的屈服應(yīng)力，使粉末顆粒能夠有效變形并發(fā)生冶金結(jié)合，消除材料空隙，提高合金致密度；最后，保壓時(shí)間的選擇也很關(guān)鍵，時(shí)間太長(zhǎng)已經(jīng)致密化的合金在高溫高壓條件下組織發(fā)生

23、變化，時(shí)間太短則不能有效致密化。研究表明，隨著熱等靜壓溫度的升高，合金的晶粒明顯長(zhǎng)大，位錯(cuò)密度降低；納米彌散相的平均顆粒尺寸增加，數(shù)量密度減少。因此，嚴(yán)格控制熱等靜壓的溫度、壓力和保壓時(shí)間是制備滿足要求的ODS鐵基合金材料必要條件。熱等靜壓制備的ODS鐵基合金組織和性能都具有較好均勻性，相對(duì)密度可以達(dá)到99%以上。2.2.2熱擠壓（Hot Extrusion，HE)（選用）熱擠壓綜合了熱壓縮和熱變形加工的特點(diǎn)。熱擠壓過(guò)程中，大剪切力可以有效消除原始顆粒邊界，大幅度提高合金的致密度。大塑性變形過(guò)程中形成高密度位錯(cuò)，增加了合金的儲(chǔ)能，有利于后續(xù)熱處理過(guò)程中形成較粗大的晶粒，提高合金的高溫性能。擠壓

24、比、擠壓速率和溫度都是影響ODS合金顯微組織和力學(xué)性能的主要因素，通常，在較大的擠壓比、較低的擠壓溫度和較高的擠壓速率下熱固結(jié)成型，合金內(nèi)部可形成較高的位錯(cuò)密度分布及儲(chǔ)能，利于合金元素的擴(kuò)散及La-Ti-0相的形成，同時(shí)，經(jīng)過(guò)熱處理能夠形成沿?cái)D壓方向的柱狀晶組織，可以有效提高合金的高溫蠕變性能。熱擠壓相對(duì)熱等靜壓固結(jié)成型，能夠產(chǎn)生更大的變形能力和密度更髙的致密體，合金的組織和性能有較大的區(qū)別。HE后有利于獲得粗晶和氧化物顆粒細(xì)小而均勾，約為0.2-0.5µm和1-2nm; HIP合金中晶粒大小分布不均勻，細(xì)晶粒尺寸為100-500nm，而粗晶粒為1-8µm，氧化物顆粒尺寸為

25、3-40nm。HE合金比HIP合金致密度更高，殘留空隙較少，因而HE合金沖擊性能比HIP合金優(yōu)良。熱擠壓可通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)如壓縮比、擠壓速率和擠壓溫度控制材料顯微組織。2.3熱固結(jié)后處理通過(guò)熱固結(jié)后處理，可以進(jìn)一步減少粉末冶金合金的孔隙率，提高致密度，同時(shí)可以是合金微觀組織結(jié)構(gòu)更均勻，也可以進(jìn)一步使原始粉末顆粒邊界形成冶金結(jié)合。為提高制品的物理性能和力學(xué)性能，后處理方法有復(fù)壓、燒結(jié)、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理。2.4ODS合金新制備方法的探索機(jī)械合金化的發(fā)展雖然使ODS合金的生產(chǎn)成本有所降低,但仍為傳統(tǒng)高溫合金生產(chǎn)成本的五倍。為降低成本,日本等國(guó)正在研究較經(jīng)濟(jì)的方法,例如用噴吹冶煉

26、的方法產(chǎn)生彌散氧化物。在感應(yīng)爐冶煉時(shí)噴吹ThO2等氧化物粉的研究,可使鎳中產(chǎn)生2-5vol%ThO2質(zhì)點(diǎn),其尺寸約600Å,間距約2000Å,與ODS 合金的情況相近。其中含2vol%ThO2的Ni,100010³h破斷強(qiáng)度達(dá)4.8kg/mm²,與TDNi的相同,超過(guò)了Hastelloy X(2kg/mm）和Ineone1617(3kg/mm²的水平)向SUS304鋼噴吹A(chǔ)l203、ZrO2粉,可使700的強(qiáng)度極限由27提高到36kg/mm²,蠕變強(qiáng)度增高得更為突出。鋼中氧化物的尺寸小于1400Å。文獻(xiàn)研究了內(nèi)氧化的方法:將

27、Ni一O.32Ti放在裝有NiO一Ni粉的密封真空石英管中,在1273-1573k加熱使Ti內(nèi)氧化成TiO2。發(fā)現(xiàn)1473k處理可得到尺寸小于1µm的彌散TiO2質(zhì)點(diǎn),處理溫度降低時(shí)TiO2將沿晶界析出使合金變脆。第三章 氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體鋼的性能1. 室高溫拉伸性能ODS鐵基合金具有良好的室溫和高溫拉伸性能，屈服強(qiáng)度接近拉伸強(qiáng)度?？梢钥闯?，ODS強(qiáng)化的合金性能明顯優(yōu)于無(wú)氧化物彌散強(qiáng)化的合金。在EUROFER 97中加入納米La2O3顆粒得到的ODS-EUROFER合金，室溫屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到698MPa和915MPa，比EUROFER 97高出39%，高溫拉伸性能也明顯高于EUROFER 97。MA957、12YWT和14YWT合金的室溫屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都可達(dá)到1300MPa以上，并在700以上依然保持很高的強(qiáng)度。ODS鐵基合金的性能有明顯的各向異性，與熱成型和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的織構(gòu)有關(guān)。如熱擠壓成形制備的MA957合金，軸向抗拉塑性是徑向的2倍。2. 韌性與非ODS鐵基合金相比，ODS鐵基合金韌性較差，并表