[发明专利]一种氧化物弥散强化钢的制备方法

说明书

本发明涉及一种氧化物弥散强化钢的制备方法，属于特种材料制备技术领域。本发明所述方法先通过机械合金化得到过饱和的氧化物弥散强化钢合金粉体，再将所述合金粉体加入到钢液中，利用所述合金粉体与钢液密度相接近的特点实现均匀混合，消除了氧化物因密度差异在钢液中产生上浮聚集长大的现象，经搅拌和快速冷却实现纳米氧化物的均匀弥散析出，避免了纳米氧化物快速长大的问题；所述方法放大了氧化物弥散强化钢的制备规模，并显著的降低了氧化物弥散强化钢的生产成本，解决了影响氧化物弥散强化钢应用的产量低和成本高的问题，而且工艺流程短、生产效率高，对于促进氧化物弥散强化钢的实际应用有重要推动作用。

技术领域

本发明涉及一种氧化物弥散强化钢的制备方法，属于特种材料制备技术领域。

背景技术

氧化物弥散强化钢是一类高强度、抗辐照、耐腐蚀的新型特种钢，其主要应用领域为核反应堆结构材料，也可作为船用、汽车用高强钢以及飞机发动机的高强耐热部件。其微观组织主要特征为纳米氧化物(1nm～100nm)均匀弥散分布于钢材基体中，而纳米氧化物的均匀细小分布是保证氧化物弥散强化钢具有优异力学性能、抗辐照性能和加工性能的关键。氧化物弥散强化钢的制备难点在于如何将纳米氧化物均匀弥散分布于钢基体中。

现有制备氧化物弥散强化钢的工艺技术主要为机械合金化与热成型相结合，其主要制备工艺步骤为：将金属粉或者合金粉与氧化物粉体在高能球磨机中机械合金化，即将金属或合金粉体与氧化物粉体在高能球磨机中长时间研磨，通过粉体的变形、破碎、冷焊等过程实现合金化，然后通过热等静压或者热挤压等方式成型，即将机械合金化粉体通过高温高压烧结，制得氧化物弥散强化钢，如专利CN201410407312.4(中国)、CN201410334753.6(中国)、CN102828097A(中国)、US9039960B2(美国)、US2015252458A1(美国)、JP2002146481A(日本)所述工艺。氧化物在机械合金化过程中固溶进入合金粉基体，并在热成型时重新析出，从而实现氧化物的细小弥散分布。这一工艺存在的主要缺点为机械合金化能效低，单批次制备规模小(<100千克)，成本高昂，阻碍了氧化物弥散强化钢的广泛应用。

目前也存在一些其他制备工艺，如专利CN201410473694.0(中国)中提出通过将含有氧化物夹杂及钛的钢液冷却即可得到氧化物弥散强化钢；专利CN201510808687.6(中国)通过向钢液中加入铁的氧化物及稀土元素并快速铸造，通过铁的氧化物与稀土元素的反应获得氧化物弥散强化钢。这两种方法的主要特征为将氧化物与钢液直接混合，然而氧化物与钢液存在明显的密度差异，氧化物在钢液中上浮并聚集长大，导致氧化物分布不均匀且尺寸过于粗大；并且，在凝固过程中氧化物随固液界面移动，导致氧化物多数分布于晶界及其他界面位置，凝固后微观组织和力学性能的均匀性难以控制，如“The microstructureand mechanical properties of micro-scale Y₂O₃strengthened 9Cr steel fabricatedby vacuum casting”(Mater.Des.66(2015)304–308)文中所示。

专利CN201210513997.1(中国)中通过雾化法制备出含有Y和Ti过饱和固溶的合金粉体，然后通过合金粉体的表面氧化和氧的扩散形成纳米氧化物。由于合金粉的表面氧化速率远远高于内部，导致粉体表面形成连续的氧化层，并且氧的扩散倾向于沿着晶界进行，使得氧化物颗粒主要集中分布于晶界上，降低了晶界强度，不利于提高氧化物弥散强化钢的韧性并可能降低其可加工性。

发明内容

针对现有氧化物弥散强化钢制备中采用机械合金化和粉体热等静压/热挤压工艺导致的产量低、成本高的问题，以及现有熔炼法中氧化物聚集长大和分布不均匀的问题，本发明的目的提供一种氧化物弥散强化钢的制备方法，将预先制备的过饱和的氧化物弥散强化合金粉加入到熔炼的钢液中，利用过饱和的氧化物弥散强化合金粉与钢液密度相近的特点避免氧化物在钢液中难以均匀分散的问题，经搅拌和快速冷却实现纳米氧化物的弥散析出。