一種Cr-Y-O納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于抗輻照金屬材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種用于聚變堆的氧化物彌散強 化低活化鋼的制備方法，采用該制備方法可以獲得具備抗強中子輻照和優(yōu)良力學(xué)性能的氧 化物彌散強化鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機的加劇，發(fā)展核能成為未來新能源的主要趨勢。目前，核裂變反應(yīng)堆 已經(jīng)能夠成功運轉(zhuǎn)，主要利用鈾原子的裂變能發(fā)電。在我國浙江和廣東兩省核電使用比例 已達到13%。提煉和濃縮鈾工藝復(fù)雜，成本較高。相對而言，聚變反應(yīng)堆所需的氘和氚燃料 更易獲得，氘和氚可從海水中提煉獲得，且核燃料使用后產(chǎn)生的核廢料較少。盡管如此，核 聚變能發(fā)電僅僅是在理論計算上能夠?qū)崿F(xiàn)，實際還未得到應(yīng)用。這是因為核聚變反應(yīng)難以 長時控制，聚變堆結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且聚變堆中結(jié)構(gòu)材料的服役條件更為惡劣。例如，裂變堆 中鈾原子裂變產(chǎn)生的中子能量約為IMeV，材料經(jīng)受200dpa劑量的低能中子輻照下產(chǎn)生的 福照損傷約為〇·lappmHe/dpa和0·lappmH/dpa。與之相比，聚變堆中氣原子發(fā)生核聚變 反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量高達14.IMeV。聚變堆中的第一壁結(jié)構(gòu)材料和氚增殖覆蓋層在320~ 700°C高溫條件下服役，且服役過程中會受到劑量大于50dpa高能中子的輻照，產(chǎn)生的輻照 損傷達到12appmHe/dpa和45appmH/dpa。從聚變堆結(jié)構(gòu)材料的嚴苛服役環(huán)境考慮，目前 適用于核裂變堆的結(jié)構(gòu)材料遠不能滿足未來聚變堆的使用要求，這要求未來聚變堆結(jié)構(gòu)材 料具備更加優(yōu)異的機械性能、蠕變持久性能、耐高溫氧化性能和抗中子輻照性能。因此，開 發(fā)適用于未來聚變堆的新型高性能抗輻照結(jié)構(gòu)材料顯得愈加重要。
[0003] 目前，以低活化鋼為基體，直接加入惰性氧化物納米顆粒，采用機械合金化方法制 備氧化物彌散強化低活化鋼能夠提高材料的蠕變持久性能和抗中子輻照性能。一般而言， 人為引入的納米級顆粒分為兩類。第一類是直接添加Y2〇3納米惰性顆粒（20~30nm)。第 二類是添加Ti和Y203,Ti和Y203在后期的高溫固化成型過程中發(fā)生反應(yīng)生成尺寸更小的 Y2Ti207(〈20nm)。這些惰性氧化物顆粒（Y20jPY2Ti207)不會隨著溫度的升高而粗化或熔解， 并且即使長時在高溫交變應(yīng)力環(huán)境下服役時，惰性氧化物顆粒仍然能夠穩(wěn)定的存在于基體 中并且能夠釘扎位錯，阻礙位錯的滑移，強化合金，從而提高材料的高溫力學(xué)性能和高溫穩(wěn) 定性；同時，納米級氧化物顆粒能夠捕捉基體中的少量活化元素經(jīng)中子輻照時產(chǎn)生的氦原 子，阻止氦原子聚集成為氦泡。
[0004] 但是，上述制備方法獲得的氧化物彌散強化鋼存在一個致命的弱點，即基體中生 成額外氧化物，劣化材料性能。這是因為金屬粉末顆粒較小，表面活性較大，極易吸附氧氣， 因此在制備過程中增氧是不可避免的，上述制備方法獲得的氧化物彌散強化鋼基體中的氧 含量較高，較高的氧含量最終會導(dǎo)致鋼基體中生成有害氧化物Fe203、FeCr204等等，迫使鋼 的高溫強度降低，材料的抗輻照性能惡化。這些制備過程中產(chǎn)生的額外氧化物是無法通過 后期的熱處理工藝消除的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于未來聚變堆的新型Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌 散強化低活化鋼的制備方法，該方法能有效降低氧化物彌散強化低活化馬氏體鋼的自由氧 含量和雜質(zhì)元素含量，獲得Cr-Υ-Ο納米團簇彌散分布，顯微組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異的氧 化物彌散強化低活化鋼，進一步提高該氧化物彌散強化低活化鋼的高溫強度和抗中子輻照 性能。
[0006] 針對氧化物彌散強化鋼的控氧問題，本發(fā)明創(chuàng)造性地提出采用兩次高能球磨工藝 制備新型Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化低活化鋼。通過先球磨Cr-Y混合粉末，獲得Cr-Y 互溶金屬和部分未溶純金屬Y的混合粉末，使其分別在后期的高溫成型處理過程中原位生 成Cr-Υ-Ο納米團簇和Y203納米顆粒。該制備方法不僅可以獲得復(fù)雜的納米團簇，而且能夠 有效地降低基體中的自由氧含量和雜質(zhì)含量，大幅度提高材料的高溫強度和抗中子輻照性 能，為未來聚變堆結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計提供了新思路。文獻專利1 (申請?zhí)?01010513441. 3)和 文獻專利2 (申請?zhí)?00810021329. 0)中均提到了氧化物彌散強化合金的制備方法，即向不 同基體中直接添加惰性氧化物質(zhì)點。但是專利文獻1、2均未提到本發(fā)明所述的設(shè)計思路， 即進行兩次球磨工藝獲得原位生成的Cr-Υ-Ο納米團簇和Υ203惰性質(zhì)點。此外，本發(fā)明所述 的制備方法解決了當前氧化物彌散強化鋼生產(chǎn)過程中的控氧難題，為未來氧化物彌散強化 鋼的工業(yè)化生產(chǎn)提供了實驗基礎(chǔ)。
[0007] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0008] -種Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法，其特征在于，向低活化鋼基 體粉末中添加Cr-Y球磨混合粉末，使球磨過程中產(chǎn)生的Cr-Y互溶金屬和未溶純金屬Y粉 分別與粉末表面吸附的氧原子發(fā)生氧化反應(yīng)，原位生成Cr-Υ-Ο納米團簇和Y203惰性質(zhì)點， 減少有害氧化物的生成，同時控制了氧化物彌散強化鋼基體中的自由氧含量，其工藝流程 為：首先制備Cr-Y球磨混合粉末，然后制備低活化鋼Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn-Si母合金粉末 (即母合金粉末中Cr的質(zhì)量分數(shù)為8-10% )和Cr-Y球磨粉末的混合粉末，再對合金混合 粉末進行高溫固化成型處理，最后進行熱處理，得到新型Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化 低活化鋼。
[0009] 所述低活化鋼基體粉末成分范圍為8.0-10. 0%Cr，1-3 %W，0. 1-0. 3%V， 0.01-0. 25%Ta，0. 2-1.0%Mn，0. 05-1.50%Si，余量為Fe。實際上，本發(fā)明所述的獲得 Cr-Υ-Ο納米團簇的制備方法適用于未來聚變堆用所有種類的低活化鐵素體馬氏體鋼。
[0010] 本發(fā)明所述Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法，其特征在于，Cr-Y球 磨混合粉末的制備方法為：取質(zhì)量比為Cr:Y= 2. 3~9:1的Cr粉、Y粉，將其混合后進行 高能球磨，具體參數(shù)為：球磨介質(zhì)為Φ6硬質(zhì)鋼球，球磨氣氛為99. 99%氦氣，球料質(zhì)量比為 8~10 :1，球磨時間0. 5_4h，轉(zhuǎn)速大于等于800r/min。
[0011] 本發(fā)明所述Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法，其特征在于，采用高 能球磨方法制備低活化鋼Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn-Si母合金和Cr-Y球磨粉末的混合粉末：球 磨介質(zhì)為Φ6和Φ10混合硬質(zhì)鋼球，球磨氣氛為99. 99%氬氣，球料質(zhì)量比為8~10:1，球 磨時間 40-70h，轉(zhuǎn)速為 350-450r/min。
[0012] 本發(fā)明所述Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法，其特征在于，合 金混合粉末高溫固化成型工藝為：混合粉末先裝包套抽氣，真空度不低于10ta，溫度 400-550°C，時間為4-5h，后經(jīng)熱等靜壓固化成型，壓力120-150MPa，溫度1050-1200°C， 保溫保壓時間3-5h;或采用等離子放電燒結(jié)方法固化成型，壓力35-50MPa，溫度 1050-1100°C，保溫保壓時間 20-30min。
[0013] 本發(fā)明所述Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法，其特征在于，具體制 備工藝流程和參數(shù)如下：
[0014] a、Cr-Y球磨粉末制備：取質(zhì)量比為Cr:Y= 2. 3~9:1的Cr粉、Y粉，球磨介質(zhì)為 Φ6硬質(zhì)鋼球，球磨氣氛為99. 99 %氬氣，球料質(zhì)量比為8~10 :1，球磨時間0. 5-4h，轉(zhuǎn)速大 于等于800r/min;
[0015] b、低活化鋼Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn-Si基體粉末與Cr-Y球磨粉末的混合粉末制備： 球磨介質(zhì)為Φ6和Φ10混合硬質(zhì)鋼球，球磨氣氛為99. 99%氬氣，球料質(zhì)量比為8~10 :1， 球磨時間40-70h，轉(zhuǎn)速為350-450r/min;
[0016] c、合金混合粉末固化成型工藝：混合粉末先裝包套抽氣，真空度不低于10ta，溫 度400-550°C，時間為4-5h，后經(jīng)熱等靜壓固化成型，壓力120-150MPa，溫度1050-1200°C， 保溫保壓時間3-5h;或采用等離子放電燒結(jié)方法固化成型，壓力35-50MPa，溫度 1050-1100°C，保溫保壓時間 20-30min。
[0017] 本發(fā)明所述的制備方法看似簡單，但是對混合粉末進行二次高能球磨的制備步驟 是形成彌散分布的Cr-Υ-Ο納米團簇和Y203納米氧化物顆粒的先決條件，且后期的固化成型 處理是形成Cr-Υ-Ο納米團簇和Υ203氧化物顆粒的必要條件。下面將對本發(fā)明所述的新型 Cr-Υ-Ο納米團簇氧化物彌散強化低活化鋼的制備工藝步驟進行一一說明。
[0018] 第一步，制備Cr-Y球磨粉末。這個過程是為了獲得穩(wěn)定的Cr-