[发明专利]一种层状增韧ODS钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钢结构材料领域，具体涉及一种层状增韧ODS钢及其制备方法，它尤其适用于聚变堆的包层结构。

背景技术

在聚变堆中，包层的工作环境非常严酷，不仅要求材料具有良好的抗高温蠕变性能，而且还要求有较高的抗辐照性能。传统的低活化铁素体/马氏体钢的工作温度最高只能达到550～600℃，而氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened，简称ODS)钢能将工作温度提高到700℃，大大提高聚变堆的能量转换效率。

ODS钢的优异性能主要归功于大量细小稳定的氧化物，如Y₂Ti₂O₇、Y₂TiO₅和(Ti,Y,O)纳米团簇，尤其是尺寸为1-5nm的(Ti,Y,O)纳米团簇。这些细小的氧化物颗粒、纳米团簇能有效地钉扎晶界、空位和位错，元素扩散也被抑制，因此能有效地抑制晶界滑移，使ODS钢具备优异的抗高温蠕变性能。同时，高密度细小的氧化物弥散颗粒在高温及辐照条件下都具有很高的稳定性，可以作为有效陷阱捕获点缺陷及辐照嬗变产物如氢氦等气泡，因此ODS钢也具有优异的抗辐照性能。因此，ODS钢被认为是最有发展前景的包层结构材料，是现在开发的聚变堆用结构材料中唯一兼具辐照稳定性和良好高温强度的材料。但是，ODS钢最大的缺点是其韧性较差，其DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature，简称韧脆转变温度)较RAFM(Reduced Activation Ferritic/Martensitic，简称低活化铁素体/马氏体钢)钢大约高出100℃，这在很大程度上限制了它在工程上的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种层状增韧ODS钢及其制备方法，通过软硬交替的层状结构设计，目的在于增强了ODS钢的韧性，同时还保留了其良好的抗高温蠕变性能以及抗辐照稳定性，本发明还提供了该ODS钢的制备方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种层状增韧ODS钢，其特征在于，其包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括母粉、Ti、Y₂O₃以及CrN，所述Ti含量为基体层质量分数的0.3％，所述Y₂O₃含量为基体层质量分数的0.35％，所述CrN含量为基体层质量分数的0.5～1％；所述增韧层包括金属钽片。

进一步的，所述母粉包含的成分及各个成分在母粉中的质量百分比分别为：0.1％C、9％Cr、2.5％W、0.25％V、0.5％Mn、余量的Fe和杂质元素。

进一步的，所述金属钽片的厚度为30μm。

进一步的，所述基体层的厚度为150～200μm。当基体层的厚度为150～200μm，且金属钽片的厚度为30μm时，层状增韧ODS钢具有较好的综合性能。

按照本发明的另一方面，还提供了一种制备层状增韧ODS钢的方法，其特征在于，用于制备如上所述的包括基体层和增韧层的钢，包括如下步骤：

S1：将母粉、Ti、Y₂O₃以及CrN混合后在惰性气体保护下进行机械合金化，接着筛分获取粒径小于40μm的基体粉末；

S2：将金属钽片和步骤S1获得的所述基体粉末交替层叠以获得待烧结体；

S3：在惰性气体保护下对步骤S2获得所述待烧结体进行放电等离子烧结，烧结温度为900℃～1100℃，烧结压力为90Mpa～100Mpa，烧结过程中保温时间为10min～20min。

进一步的，步骤S1获取的所述基体粉末经过氨气或者氢气还原后，才进行所述步骤S2和所述步骤S3。

进一步的，所述Ti含量为基体层质量分数的0.3％，所述Y₂O₃含量为基体层质量分数的0.35％，所述CrN含量为基体层质量分数的0.5～1％，所述母粉包含的成分及各个成分在母粉中的质量百分比分别为：0.1％C、9％Cr、2.5％W、0.25％V、0.5％Mn、余量的Fe和杂质元素。

进一步的，步骤S3中放电等离子烧结的升温速度为80℃/min～120℃/min。