[发明专利]纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的氧化制备方法

说明书

本发明提供了一种纳米复合氧化物强化Fe基合金的制备方法，具体步骤为：第一步，依据合金组分熔炼含Y合金母锭，氩气雾化制粉获得含有活泼元素的铁基合金粉末；第二步，含Y铁基合金粉末在高真空、高温气氛下进行热处理完成活泼元素在粉末晶界、缺陷和表面的元素偏聚；第三步，将已经发生元素偏聚的合金粉末在低氧浓度、中温条件下进行氧化，通过氧的向内扩散实现活泼元素的氧化物纳米颗粒在粉末晶界、缺陷和表面的饱和溶解与析出；第四步，调节热等静压或热挤压的致密化条件，实现粉体到合金的转化过程。该方法工艺过程相对简单、能有效控制氧浓度、弥散效果好，制备的Fe基合金具有组织均匀、氧化物纳米团簇弥散分布和力学强度高等特点。

技术领域

本发明涉及氧化物弥散强化合金的制备技术，具体的说是提供一种降低成本、可批量生产、实现纳米复合氧化物弥散强化Fe基合金的新型氧化制备方法。

背景技术

纳米氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthen,ODS)铁素体合金由于具有优异的抗蠕变性能和耐辐照性能，在极端服役工况下具有良好的结构和化学稳定性，被认为是最具有发展前景的核包壳结构材料。Al添加的高铬ODS铁素体(ODS-FeCrAl)合金不仅是第四代先进反应堆最有希望的包壳候选材料，而且还是事故容错燃料研发项目中重点开发的理想包壳材料。ODS-FeCrAl或FeCr合金优异的宏观性能与弥散分布于基体的复合氧化物纳米粒子(Y-Al-O或Y-Ti-O)密切相关：弥散析出的高密度纳米复合氧化物在高温服役过程中有效阻碍位错和晶界的运动，从而提高合金的高温强度和抗蠕变性能；弥散析出的高密度纳米复合氧化物在正常工况条件下有效俘获中子辐照所产生的空位、间隙和氦泡，使其弥散分布在氧化物粒子周围而不在合金中形成较大的空洞和较大的氦泡，抑制合金的时效脆性和氦脆，从而提高合金的抗辐照损伤和抗肿胀性能。弥散氧化物析出需要适宜的氧含量、形核点和驱动力，因此制备过程中氧原子或离子的存在形式、浓度范围和分布状态都是影响ODS-Fe基合金纳米复合氧化物弥散析出及其综合性能的重要参数。

目前来说，合金中纳米氧化物弥散相主要采用机械合金化方法引入，即雾化母合金粉或单质元素粉与纳米Y₂O₃粉末混合后通过高能球磨机球磨合成。机械合金化具有工艺条件简单、易操作、常温下容易实现等优点，适合于实验合成，但在百十公斤或吨位大批次生产时机械合金化法的弱点比较明显，需要数十甚至数百小时的球磨时间；而且氧含量无法控制，导致后续合金致密化工艺中复合氧化物弥散相长大而成为亚微米级颗粒；同时球磨过程中无法避免污染，批次成品性能之间存在差异，从而影响ODS合金在使用中的实际寿命，因此非常有必要开展ODS-Fe基合金新型制备方法的研究。

已知的其他制备方法包括化学浸润法、共沉淀法、内氧化法等，其中化学浸润法和共沉淀法适合实验室制备，并且致密化后得到的氧化物主要为Y₂O₃颗粒，而非复合氧化物Y-Al-O或Y-Ti-O强化颗粒。传统的内氧化法是将含有活性合金元素和惰性基体元素的粉末在含氧气氛中加热，希望氧只与活性合金反应而不与惰性金属反应，实际上这个过程很难控制。美国爱荷华实验室Anderson(专利号：US 8,864,870B1)利用喷雾加氧的方式对FeCr合金粉末充氧，热等静压后得到Y-Ti-O和Y-Hf-O弥散强化的ODS合金，但是这种制备方法对雾化制粉设备要求较高，并且雾化得到的粉末氧含量无法有效控制，最重要的一点是专利中特别说明该方法不适合于含Al的ODS铁基合金制备，这主要是因为在极高温度(1500～1800℃)、少量含氧(99～95vol.％Ar+1～5vol.％O₂)喷雾条件下，FeCrAl合金粉的Al元素极容易氧化而在粉末表面快速形成致密Al₂O₃膜从而阻止氧的向内扩散。因此，为解决上述诸多制备方法面临的问题，本发明创造性地提出一种新的氧化方法制备ODS-FeCrAl和FeCr合金，利用简单的设备装置通过改变粉末热处理工艺顺序实现对合金粉末氧的扩散过程及氧含量的有效控制，从而调控纳米复合氧化物Y-Al-O和Y-Ti-O的弥散析出和强化，并实现ODS合金大批量生产的目的。

发明内容