[发明专利]一种原位合成纳米氧化物颗粒弥散强化合金的方法

说明书

本发明公开了一种原位合成纳米氧化物颗粒弥散强化合金的方法，包括如下步骤：(1)合金设计，使合金中含有可以形成氧化物的元素；(2)合金粉末制备，在合金粉末制备过程中，增加合金粉末中的氧含量；(3)利用金属增材制造技术，使合金在局域化凝固过程中，氧化物形成元素和氧元素结合形成弥散分布的纳米氧化物颗粒，得到纳米氧化物颗粒弥散强化合金。本方法可以减少制备纳米氧化物弥散强化合金的工序和周期，实现纳米氧化物颗粒原位析出且均匀分布在合金基体中，同时，可以原位制备出柱状晶组织结构，保证在后续热处理过程中不会有气孔的形成。

技术领域

本申请涉及金属增材制造技术领域，具体地，涉及一种全新的原位高效合成纳米氧化物颗粒弥散强化合金的方法，为开发和制备高强高塑性的纳米氧化物颗粒弥散强化合金开辟了一条新途径。

背景技术

纳米氧化物颗粒弥散强化合金因其优异的高温力学性能，往往被用于航空、航天、能源等重大装备的高温极端工作部位。目前制备纳米氧化物弥散强化合金的主要方法是通过将母合金粉末与纳米氧化物颗粒混合在一起，然后利用机械合金化方法将纳米氧化物颗粒弥散分布到母合金粉末颗粒中去，最后通过粉末冶金致密化方法(如热压、热挤压或热等静压等烧结法)来制备出块体纳米氧化物弥散强化合金。此类方法的主要缺点在于制备周期较长，需要长时间机械球磨以使添加的纳米氧化物颗粒能均匀分散开。

此外，为了防止机械合金化过程中母合金粉末的氧化，通常需要在氩气或氮气等保护性气氛中进行球磨。然而长时间的球磨使这些粉末能够捕获大量的气体分子，这些气体分子在压制成形后的热处理过程中容易重新聚集形成孔洞，严重影响材料的力学性能。另外，为了提高氧化物弥散合金的高温力学性能(如蠕变性能)，机械合金化后的粉末往往需要通过热挤压后再利用区域退火的方法以形成定向再结晶的具有大长径比的柱状晶。该过程工序多效率低，且由于氧化物颗粒的存在，晶粒取向难以控制。

金属增材制造技术如选区激光熔化，激光直接沉积和选区电子熔化是一种基于微小熔池冶金的叠层制造技术。利用激光或电子束高能量密度的特点，粉末材料被快速熔化形成微小熔池(几百微米至几个毫米直径),熔池中所有原子以自由运动的形式存在。当激光/电子束移开的时候，熔池以极快的速率(10⁴～10⁶℃/s)凝固及冷却形成固体。这些特点使熔池的凝固变得非常局域化,即熔池中的溶质原子会发生截留，溶质原子的再分配被抑制。这种局域化的凝固行为为原位合成纳米氧化物弥散强化合金提供了可能。同时，增材制造过程中熔池与基板或已凝固的固体之间存在巨大的温度梯度，使金属材料在增材制造过程中容易形成柱状晶及织构，有助于高温力学性能如蠕变性能。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出了通过合金设计使合金中含有氧化物形成元素，同时在气体雾化制备合金粉末过程中或在可控气氛中开展热处理来控制合金粉末的氧含量。随后利用含有一定量氧的合金粉末和增材制造技术如选区激光熔化、激光直接沉积或选区电子束熔化来原位合成纳米氧化物弥散强化合金。本方法减少了制备纳米氧化物弥散强化合金的工序和周期，实现了纳米氧化物颗粒原位析出且均匀分布在合金基体中，同时能够原位制备出柱状晶组织结构，保证在后续热处理过程中不会有气孔的形成。最后通过本发明可以促进新型纳米氧化物弥散强化合金的开发。

根据本发明的一方面，提供了一种原位合成纳米氧化物颗粒弥散强化合金的方法，包括如下步骤：

(1)合金设计，使合金中含有可以形成氧化物的元素；

(2)合金粉末制备，在合金粉末的制备过程中，增加合金粉末的氧含量；

(3)利用金属增材制造技术，使合金在局域化凝固过程中，氧化物形成元素和氧元素结合形成弥散分布的纳米氧化物颗粒，得到纳米氧化物颗粒弥散强化合金。