[发明专利]一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金及制备方法；属于粉末冶金材料领域。

背景技术

氧化物弥散强化(ODS)是在合金基体中加入高热稳定性和化学稳定性的纳米氧化物颗粒，使其均匀分散在基体中，通过阻碍位错和晶界运动而产生强化作用。弥散相的尺寸及分布对强化效果具有显著影响，弥散颗粒的尺寸越细小，分布越均匀，强化效果就越显著。因此，获得细小、均匀分布的强化粒子是提高氧化物弥散强化合金性能的关键。

ODS铁基合金具有优异的抗高温蠕变、高温疲劳、抗辐射肿胀和耐腐蚀性能，在能源和热加工工业等领域具有广泛应用前景。在铁基合金基体中引入弥散均匀、细小且具有良好的热稳定性和化学稳定性的氧化物粒子，可大幅提高合金的室温及高温力学性能。氧化钇具有高的硬度及热稳定性，通常用作弥散强化相。具体方法是通过机械合金化，将氧化钇颗粒破碎并使其弥散分布在合金粉末基体中，然后通过粉末成形，获得尺寸为10-40nm的弥散强化相，均匀分布在合金基体中，产生弥散强化作用[I S Kim,J D Hunn,N Hashimoto,D L Larson,P J Maziasz,K Miyahara,E H Lee.Journal of Nuclear Materials280(2000)264]。

在铁基合金中添加Ti元素，在烧结过程中Ti、Y、O之间发生反应，形成尺寸为2-5nm的强化相。这种强化相粒子成分为Y-Ti-O，结构复杂，在高温下非常稳定，但细小的Y-Ti-O纳米粒子的获得非常困难，对合金的制备工艺，以及Y、Ti和O原子的含量要求非常苛刻。同时，粉末在制粉、成形过程中，表面会吸附氧，而这部分氧是多余的过剩氧，会导致氧化物强化相长大，形成大尺寸(>50nm)，甚至微米尺度的氧化物，严重降低合金的力学性能[S Ohtsuka,S Ukai,M Fujiwara,T Kaito,T Narita.Journal of Physics and Chemistry of Solids 2-4(2005)571]。

但是，在粉末制备、成形过程中，粉末吸附氧是无法避免的，这与避免氧化物长大矛盾。如何有效利用粉末吸附的过剩氧，是解决问题的关键。

本发明提出，采用氮化钇为主要增强相制备高性能铁基合金，开发更容易获得的高性能铁基合金及制备方法。以氮化钇为增强相的Fe-Cr-W-M(M为Ti、Zr、Al等金属元素中的一种或几种)合金在现有技术中还未见报道。

发明内容

本发明针对现有氧化物弥散铁基合金存在的不足之处，提供一种以纳米氮化钇为主要弥散强化相的铁基合金及制备方法。

本发明一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金，其包括基体和增强相；

所述基体以质量百分比计包括：

Cr：12-17％，优选为12-16％，进一步优选为13-15％；

W：1-4％，优选为2-4％，进一步优选为3-4％；

M：0-1％；

余量为Fe；

所述的M为Ti、Zr、Al等金属元素中的至少一种；

所述增强相包括氮化钇；

所述氮化钇的质量为基体质量的0.3-1％，优选为0.3％-0.7％，进一步优选为0.3％-0.5％。

本发明一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金，其室温抗拉强度≥1450MPa、500℃的抗拉强度≥1100MPa、600℃的抗拉强度≥800MPa。经组分优选后，其室温抗拉强度≥1450MPa、500℃的抗拉强度≥1140MPa、600℃的抗拉强度≥850MPa。

本发明一种纳米氮化钇弥散强化铁基合金的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

按基体合金粉末质量的0.3-1％称取氮化钇粉末，在保护气氛下，与基体合金粉末进行混合、球磨，得到机械合金化粉末；

所述基体合金粉末以质量百分比计包括：Cr：12-17％、W：1-4％、M：0-1％、余量为Fe；球磨时，控制转速为250-350rpm、球磨时间为30-60h；所述M选自Ti、Zr、Al等金属元素中的一种至少一种；

步骤二

对步骤一所得机械合金化粉末装入包套，真空除气、封焊，然后热挤压成形，成形后依次进行热轧或热锻、高温退火，得到氮化钇弥散强化铁基合金；热挤压成形时，控制温度为900-1000℃；热轧制或热锻时，控制温度为950-1150℃；高温退火时，控制温度为1050-1200℃。