氧化物弥散强化铁基高温合金的制备及强化机理研究

摘要

氧化物弥散强化铁基高温合金由于具备低肿胀、抗辐射、抗氧化、抗腐蚀及高的蠕变强度等综合性能，被认为是下一代核裂变/聚变反应堆第一壁等关键结构用材料，在国际上得到了大量研究者关注。本论文在国家自然科学基金重点项目资助下，对Fe-(12-14)Cr-3W-(0.3-0.4)Ti-(0.3-0.4)Y2O3-(1Cu)(wt.％)合金体系中的显微组织演化和力学性能开展了系统的研究工作。首先，系统研究了氧引入方式的新工艺，并对氧的存在方式及演化形式对纳米弥散相形成的作用进行了解释;同时通过对该合金体系中空位的形成及演化机制的研究和空位生成焓的测定，阐述了空位和Y-Ti-O纳米结构相的作用。其次，采用HRTEM、HAADF-STEM、TEM-EDX等分析手段对合金中的5nm左右的Y-Ti-O、铜沉淀等进行了深入的研究，阐明了其相成分组成、结构、与基体的位相关系及演化机制;最后，通过制备具有双晶尺寸分布的氧化物弥散强化铁素体钢，改善合金的韧性，同时通过微合金化过程对合金体系进行了组织改性，提高了合金的综合力学性能。主要得到的结论如下:
　　 (1)通过紧耦合雾化过程引入氧元素，粉末氧含量与雾化介质中氧含量成线性增长关系，粉末中氧的分布由内而外依次增多，氧可部分固溶于粉末中。粉末表面的氧在热固结过程中形成由氧化物组成的原始颗粒边界，在热机械处理后，原始颗粒边界破碎，氧元素重新向基体中扩散，在基体中形成弥散分布的氧化物。合金在1400℃退火1h，空冷后的力学性能最优，室温抗拉强度和断后延伸率分别为940MPa，7％。
　　 (2)在Fe-Cr-W-Ti-Y预合金粉末中添加1wt.％ Fe2O3纳米颗粒，能够促进热挤压—热轧制过程中多种复合氧化物颗粒的形成。除了纳米Y2Ti2O7相，合金中还形成了微米级的Cr1.3Fe0.7O3、(Cr0.88Ti0.12)2O3和Y3Fe5O12相。微米级颗粒的形成与Fe2O3粉末在热挤压过程中团聚成型和Fe2O3与亲氧能力强的原子(Y、Ti、Cr)发生置换反应有关。添加少量Fe2O3粉末能够明显提高热挤压—热轧制粉末冶金铁基合金的显微硬度和室温、中温(550℃)抗拉强度。合金室温抗拉强度为1257MPa，比未添加Fe2O3粉末的合金增加了50.7％，但延伸率从13％降低至6.5％。
　　 (3)在过饱和铁素体基体中，不共格的富Cr、Ti氧化物相与共格的Y-Ti-O纳米相共同沉淀，延长机械合金化时间可以将Cr、Ti元素回溶于基体中，有利于形成细小的均匀弥散的Y-Ti-O纳米颗粒。
　　 (4)在14YWT和14FWT两种铁素体钢中，发现至少存在两种不同晶体学取向的Y-Ti-O纳米相，具有Y2Ti2O7结构。用Fe2O3作为携氧剂制备的纳米结构相强化铁素体钢表现出优异的综合性能。通过计算，该合金的空位生成焓约为1.11eV，明显低于纯铁的空位生成焓，为Y-Ti-O纳米相的形成提供了有利的结构条件。
　　 (5)双晶尺寸分布晶粒组织能够有效提高纳米特征弥散强化铁素体钢的延性。通过理论计算，具有晶粒尺寸双峰粒度分布的纳米弥散强化铁素体钢的应变值比仅由纳米尺度晶粒组成的14CrODS铁素体钢要超出100％以上，理论计算与实验值符合较好。
　　 (6)经过加铜微合金化的合金在时效10h时硬度达到峰值，此时合金中形成富铜的强化相，富铜沉淀的平均颗粒尺寸约为9.6nm，体积分数约为1022 m-3。加铜微合金化可以进一步平衡合金的韧性与强度，富铜沉淀相经过500℃、300h长时间热暴露未发生明显长大。相对未加铜的双晶尺寸分布铁素体钢而言，加铜微合金化的合金强度得到很大的提高，在室温下，富铜沉淀强化的作用效果适用Orowan绕过机制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高温合金

1．2．1 高温合金的分类

1．2．2 高温合金的应用

1．2．3 高温合金的主要强化机制

1．2．4 高温合金的先进制备工艺

1．3 粉末冶金高温合金

1．3．1 粉末冶金氧化物弥散强化(ODS)高温合金的发展

1．3．2 氧化物弥散强化铁基高温合金

1．3．3 氧化物弥散强化铁基高温合金的分类及特点

1．3．4 氧化物弥散强化铁素体钢的特点

1．4 氧化物弥散强化铁素体钢的制备

1．4．1 粉末的制备

1．4．2 热固结成型

1．4．3 热机械处理

1．5 氧化物弥散强化铁素体钢的性能

1．5．1 室高温拉伸性能

1．5．2 韧性

1．5．3 蠕变

1．5．4 抗辐照性能

1．5．5 抗氧化性和热稳定性能

1．6 氧化物弥散强化铁索体钢的关键科学问题

1．6．1 纳米结构相的形成、表征及特点

1．6．2 强化机制

1．6．3 问题及面临的挑战

1．7 研究的目的、意义和内容

第二章 试验方法

2．1 试验方案

2．2 实验设备和原料

2．3 主要分析检测方法

2．3．1 氮＼氧含量分析

2．3．2 物相分析

2．3．3 热分析

2．3．4 粉末粒度分布测定

2．3．5 合金样品密度测定

2．3．6 室、高温拉伸性能测试

2．3．7 硬度测试

2．3．8 金相光学显微镜观察

2．3．9 扫描电子显微镜观察

2．3．10 透射电子显微镜观察

第三章 雾化加氧方法制备氧化物弥散强化铁基合金的研究

3．1 引言

3．2 试验过程

3．3 氧的控制及存在形式

3．4 热固结成型及热处理对合金显微组织的影响

3．4．1 烧结-锻造对合金显微组织的影响

3．4．2 原始颗粒边界(PPB)

3．4．3 退火温度对合金晶粒尺寸的影响

3．5 氧化物弥散相的表征

3．6 力学性能

3．7 分析与讨论

3．7．1 沉淀相形成机理

3．7．2 合金强度

3．8 本章小结

第四章 氧化铁作为携氧剂制备氧化物弥散强化铁基高温合金的研究

4．1 引言

4．2 试验过程

4．3 显微组织

4．3．1 原始粉末形貌

4．3．2 合金中第二相结构特征

4．3．3 合金热挤压态显微组织

4．3．4 合金热轧制态显微组织

4．3．5 合金退火态显微组织

4．4 力学性能

4．4．1 硬度

4．4．2 抗拉强度

4．4．3 断裂机制

4．5 分析与讨论

4．5．1 氧化物颗粒的形成及演化

4．5．2 添加Fe2O3粉对合金基体再结晶行为的影响

4．5．3 Fe2O3的添加对硬度的影响

4．5．4 Fe2O3的添加对拉伸性能的影响

4．6 本章小结

第五章 氧化物弥散强化铁基高温合金的机械合金化研究

5．1 引言

5．2 试验过程

5．3 显微组织

5．3．1 粉末形貌

5．3．2 显微组织

5．3．3 第二相的成分分析

5．3．4 第二相的结构表征及界面特性

5．4 力学性能

5．5 分析与讨论

5．5．1 纳米第二相颗粒形成过程演化

5．5．2 合金体系中的空位

5．6 本章小结

第六章 双晶晶粒尺寸分布的氧化物弥散强化铁基高温合金的研究

6．1 引言

6．2 试验过程

6．3 显微组织

6．3．1 晶粒特征

6．3．2 局部马氏体相变

6．4 力学性能

6．4．1 室温拉伸性能

6．4．2 高温拉伸性能

6．5 分析与讨论

6．5．1 双晶晶粒尺寸分布增韧的数学模型

6．5．2 双晶晶粒尺寸分布合金的Hall-Petch关系

6．6 本章小结

第七章 氧化物弥散强化铁基高温合金的铜微合金化研究

7．1 引言

7．2 试验过程

7．3 固溶时效处理

7．4 显微组织

7．4．1 晶粒特征

7．3．2 第二相成分及结构

7．3．3 富铜沉淀的尺寸、分布及体积密度

7．5 力学性能

7．6 分析与讨论

7．6．1 时效过程富铜沉淀的演化

7．6．2 铜对双晶尺寸分布特征合金的强化作用

7．7 本章小结

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果