[发明专利]一种均匀高效生产纳米结构弥散强化铁基合金用预合金粉末的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属弥散强化技术领域，提供了一种制备纳米级氧化物弥散强化金属用的预合金粉末的方法。采用喷雾热解技术耦合流化床还原技术，发挥均匀、高效和连续化运行工艺特点，大规模工业化制备结构均匀、可控的Fe-弥散相氧化物纳米复合粉末，综合了胶体化学、无机化学及粉末冶金等相关知识，属于湿法制复合金属氧化物粉末的范畴。所制备的氧化物弥散强化铁基材料，适用于各类要求良好的高温性能或力学性能的金属粉末制品的生产。 

背景技术

随着科学技术的发展，各种热力机械(燃气轮机、喷气发动机、弥散强化(ODS)合金具有优异的高温性能，一直以来倍受人们的关注和重视。尤其当前，随着国际热核实验堆的启动，氧化物弥散强化(ODS)钢具有特殊的微观结构使其高温强度和抗辐照性能均明显优于已有的材料，被认为是理想的核反应堆包壳材料，并已列入了欧盟、日本和美国的聚变堆和第4代裂变堆研究计划。 

弥散强化是通过在金属基体中引入稳定、均匀、细小的氧化物质点，钉扎位错、晶界、亚晶界，阻碍位错的移动，从而强化材料的方法。强化效果可以维持到接近合金的熔点(0.8-0.9T_熔点)，使得弥散强化材料在接近熔点附近仍然具有很高的强度、蠕变性能和抗氧化性能。这样可以很大程度上挖掘材料的潜力，充分利用金属材料。金属材料中产生强化效果的第二相粒子，必须是比较均匀地分散于金属中的细小颗粒，研究表明氧化物颗粒越细小，分布越均匀，材料性能的 提高就越显著。 

目前，在制备铁基氧化物弥散材料主要采用机械合金化。文献1(金属学报，2013，49：2)报道了，以Fe粉末为主要原料，以Cr、Ni、Ti、Mo等为中间合金粉末，以Y₂O₃粉(d＜50nm)为第二相弥散强化粒子，通过机械合金化工艺制备高温合金。这种方法存在弥散相分布不均匀，成本高，易引入杂质，污染合金，生产周期长等缺点，难以实现大规模化工业生产。提高微观结构均匀性、实现低成本规模化生产成为弥散强化领域面临的重要问题，因此，开发一种结构均匀可控、低成本铁基氧化物弥散强化材料的制备工艺具有重要的现实意义和很大的市场潜力。 

发明内容

本发明提供了一种均匀高效大规模工业化生产铁基弥散强化材料的粉末冶金制备方法，即采用喷雾热解技术耦合流化床还原技术新工艺，获得微观结构均匀、可控的Fe-弥散氧化物纳米复合粉末。解决现有方法微观结构不均匀，成本高，不易控制，生产周期长等缺点。 

本发明的原理是：采用喷雾热解技术耦合流化床还原技术新工艺，配置含基体和弥散相金属离子的混合水溶液，各种金属离子在液相可以达到原子水平的高度均匀混合，利用喷雾热解技术技术工艺对混合盐溶液进行处理，溶液在喷雾热解过程中被雾化成为微小液滴，使液滴同气体发生接触并干燥成金属氧化物复合粉末，此过程瞬间完成，避免成分的偏析。将干燥后的金属氧化物复合粉末在流化床反应器内进行流化选择还原，克服普通还原过程中反应温度不均匀造成还原产物中弥散相均匀度和粒度难以控制的问题，实现复合粉末合成和还原整个过程反应均匀、高效传热传质、易规模化生产的目标，获得微观结构均匀、可控的Fe-弥散相氧化物纳米复合粉末，将该弥散强化铁粉经致密化后得到高性能的弥散强化(ODS)铁基材料。 

具体工艺步骤如下： 

a、先将含铁和弥散相金属离子的可溶性盐配置成一定浓度的溶液，基体金属离子浓度在0.5-2.5mol/L，基体金属盐最终生成基体金属，弥散相金属盐最终生成弥散相氧化物；将原料折合成弥散相氧化物和基体金属的质量时，氧化物弥散相占总合金的质量分数在0.25％-5％； 

b、按照n(柠檬酸)∶n(Fe³⁺)＝0.1-0.5∶1(摩尔比)向混合溶液中加入柠檬酸作为络合剂并强力搅拌，将配置好的溶液置于喷雾热分解器中进行热分解，反应温度80℃-250℃，溶液在喷雾热解过程中被雾化成为微小液滴，液滴同气体发生接触并干燥成金属氧化物复合粉末； 

c、将干燥后的金属氧化物复合粉末在流化床反应器内进行流化选择还原，反应温度600℃-900℃，最终得到纳米级弥散相颗粒与基体颗粒高度均匀混合的预合金粉末； 

f、将所得预合金粉末在800-1100Mpa压力下钢模压制，然后在H₂气氛下，进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为60-90min。由于纳米级氧化物的高度均匀弥散强化，从而获得了组织均匀、性能优良的合金材料。