[发明专利]一种制备氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法

说明书

技术领域：

本发明属于氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)合金粉末制备技术领域，特别是提供了一种通过高能球磨实现氧化物、氮元素、纯金属粉末的机械合金化，获得近球形含氮ODS不锈钢粉末的方法。

背景技术：

奥氏体不锈钢以其良好的综合力学性能、优良的抗蚀性能、抗氧化性能、易加工成型等优点成为第四代核能反应堆，如超临界水冷堆燃料包壳的候选材料之一。但是，奥氏体不锈钢的高温力学性能、抗高温蠕变能力不能满足其使用要求。氧化物颗粒弥散强化是提高合金钢高温力学性能、抗辐照能力的有效手段，氧化物弥散强化的铁素体/马氏体钢成为研究热点(见：L.K.Mansur，A.F.Rowcliffe，R.K.Nanstad，S.J.Zinkle，W.R.Corwin，R.E.Stoller.Journal ofNuclear Materials 329-333(2004)166-172)。但是在奥氏体不锈钢中的应用还刚刚起步。与传统合金中的强化相如碳化物、晶间相相比，氧化物弥散颗粒在高温下的性能要稳定的多；这些弥散分布在基体中的氧化物颗粒作为位错移动的阻力可以有效改善合金的抗蠕变能力和高温强度，另外，弥散分布在基体中的氧化物颗粒可以阻碍再结晶过程的进行，容易获得稳定的晶粒尺寸。不锈钢中的氧化物弥散相通常通过机械合金化的方法引入。机械合金化主要通过高能球磨的方式实现。与其它合金化方法相比，机械合金化具有成本低、易操作、常温下即可实现合金化等优点，而且在球磨罐中可以充入不同的气氛，除惰性气体外，在球磨过程中可以使气体的原子参与被球磨物质发生的固相反应；另外，在原料粉中加入氧化物颗粒，在球磨过程中，混合的原料粉末在球与球、球与壁、球与粉末之间的高速、反复撞击下承受冲击、剪切、摩擦和压缩多种力的作用，经历反复的挤压、冷焊及粉碎过程进而实现合金化，使得细小氧化物颗粒的弥散分布在基体合金中。

在奥氏体不锈钢中引入氮，可以稳定奥氏体组织、有效的提高钢的强度、韧性、加工硬化能力，使钢达到很好的强韧性配合，并且提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。含氮奥氏体不锈钢以其优越的力学性能和耐蚀性能获得了各国科研工作者的青睐。自20世纪80年代以来，掀起了研究含氮奥氏体不锈钢的热潮。含氮奥氏体不锈钢根据含氮量可分为控氮型(N含量为0.05-0.10wt％)、中氮型(N含量为0.10-0.40wt％)和高氮型(N含量高于0.40wt％)。国内外制备含氮奥氏体不锈钢的主要方法有加压感应熔炼、加压等离子熔炼、加压电渣熔炼、反压铸造等。这些方法的普遍缺点是设备复杂、工艺控制困难、成本过高。近年来粉末冶金方法开始被应用于含氮不锈钢的研究。与用熔炼的方法制备含氮不锈钢相比，粉末冶金方法具有设备简单、成本低、安全性好、易实现等优点。其中机械合金化是较为常用的粉末冶金方法之一。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用机械合金化法制备含氮ODS奥氏体不锈钢的方法。用机械合金化法制备的含氮ODS奥氏体不锈钢粉末成分均匀，在1100℃退火后室温下获得完全奥氏体组织。这种方法能够同时实现奥氏体不锈钢的氮元素固溶强化和氧化物弥散强化(ODS)。

本发明制备含氮ODS奥氏体不锈钢的制备工艺为：一种制备氧化物弥散强化型奥氏体不锈钢的方法，其特征将Fe、Cr、Ni、W、Ti的纯金属元素粉末与纳米Y₂O₃粉末按比例混合，其中Cr：17-19％，Ni：7-9％，W：1.5-2.5％，Ti：0.5-1.0％，Y₂O₃：0.3-0.6％，余量为Fe，然后装入球磨罐中，抽真空后充入高纯氮气，在行星式高能球磨机中球磨30～120h，不包含停机时间，每球磨5h，停机1h，球磨转速为380r/min，球料比为10∶1。在高能球磨过程中，各混合粉末随着球磨时间的延长实现机械合金化。通过改变球磨时间可以获得不同氮含量的含氮不锈钢粉末，通过热压或热等静压等方法烧结后即得含氮ODS奥氏体不锈钢。

本发明的另一个技术方案是上述的高纯氮气压力为0--1.0atm，通过改变氮气压力可以获得不同氮含量的不锈钢粉末。

本发明的优点：

1.制备的含氮ODS奥氏体不锈钢粉末成分均匀，含氮量可在0-1.05％之间变化。通过机械合金化这一过程，可以在奥氏体不锈钢中同时实现氮的固溶强化和氧化物弥散强化(ODS)，提高奥氏体不锈钢的高温力学性能和耐蚀性能。