ods铁素体不锈钢的制备方法及注意事项

　　一种ods铁素体不锈钢的制备方法

　　【技术领域】

　　[0001] 本发明涉及粉末冶金材料技术领域，尤其涉及一种ODS铁素体不锈钢的制备方 法。

　　【背景技术】

　　[0002] 在聚变反应堆中，第一壁包层的工作环境非常恶劣，因此不仅要求第一壁包层材 料具有良好的抗氧化性、高温抗蠕变性能，而且还要有非常好的抗辐照损伤性能。目前核 反应堆工作温度为250~300°C，工作压力为7~15MPa，辐照剂量为10-25dpa。未来第四 代核反应堆工作温度可达到600~1100°C，工作压力可达到24MPa，辐照剂量高达150~ 200dpa。目前核电站广泛使用的包壳材料为锆（Zr)合金，但Zr合金的机械性能较差，并存 在严重的辐照肿胀问题，不能满足新型核能系统反应堆燃料包壳的要求。研究者筛选出了 两类燃料包壳的候选材料，分别是镍基合金和铁基不锈钢（包括奥氏体不锈钢、低活性的 铁素体/马氏体钢（F/M双相钢）以及铁素体不锈钢等）。研究表明：与Ni基合金和奥氏体 不锈钢相比，铁素体不锈钢具有更优良的抗肿胀性能；与F/M双相钢相比，铁素体不锈钢具 有较高的抗高温蠕变性能。在铁素体不锈钢中引入弥散分布的氧化物颗粒（如Y 2〇3、Ti02、 Zr02、Al203以及MgO等）可以显著提高铁素体不锈钢的抗高温蠕变性能，这类氧化物弥散强 化的铁素体不锈钢称为ODS铁素体钢。其中，Y 2O3具有优异的高温相结构稳定性、很低的中 子吸收界面，是制备ODS铁素体钢的理想添加相。截止目前，添加 Y2O3的ODS铁素体钢被认 为是第四代核能系统反应堆第一壁包层最具潜力的候选材料。

　　[0003] ODS铁素体不锈钢的制备工艺关键在于如何将纳米氧化物颗粒均匀地分散到铁基 体中。传统ODS铁素体钢以机械合金化（MA)方法为主，如附图1所示，通过高能球磨使Y 2O3 等氧化物颗粒弥散分布在铁基体内，然而传统M法存在球磨时间长、Y2O3易分解反应、含氧 量不易控制以及微观组织复杂等固有缺点。传统的粉末冶金技术（PM)技术可以规避MA方 法的固有缺点，但现有PM技术缺乏对Y 2O3颗粒在铁素体内的尺寸分布和位置分布的控制， 导致制备的ODS铁素体钢强韧性较差。专利申请人在前期对铝基复合材料的研究过程中发 现纳米片状粉末具有特殊的烧结粗化行为，这种特殊的烧结粗化行为显著影响氧化物颗粒 在铝基体内的尺寸分布和位置分布。由此，申请人提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方 法。

　　【发明内容】

　　[0004] 本发明解决的技术问题在于提供一种Y2O3弥散分布的ODS铁素体不锈钢的制备方 法，且制备的ODS铁素体不锈钢的力学性能较好。

　　[0005] 有鉴于此，本申请提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

　　[0006] A)，制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W ;

　　[0007] B)，将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合 金粉末；

　　[0008] C)，将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y2O3粉末进行混粉 处理，得到复合粉末；

　　[0009] D)，将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤 压，得到ODS铁素体不锈钢。

　　[0010] 优选的，所述铁素体不锈钢预合金粉末采用雾化法制备得到。

　　[0011] 优选的，所述低能球磨为湿磨。

　　[0012] 优选的，步骤B)中所述低能球磨的磨球直径为10mm、5mm和3mm的淬火钢球，球料 比为20:1，所述低能球磨的转速为150~250rpm，所述低能球磨的时间为5~15h。

　　[0013] 优选的，步骤A)中所述铁素体不锈钢预合金粉末的平均粒径为100 μπι以下。

　　[0014] 优选的，所述混粉处理为湿法混粉。

　　[0015] 优选的，所述ODS铁素体不锈钢中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于I. 5wt %，Y2O3的含量小于或等于I. 5wt %。

　　[0016] 优选的，所述Y2O3粉末的粒径为50nm以下。

　　[0017] 优选的，所述粉末烧结的温度为1100°C~1300°C，时间为2~5h。

　　[0018] 优选的，所述热挤压的温度为850°C~1100°C，挤压比为10:1~30:1。

　　[0019] 本申请提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，其首先将ODS铁素体不锈钢预 合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合金粉末，再将片状铁素体不锈钢预合 金粉末进行过滤，烘干后与Y 2O3粉末进行混粉处理，得到复合粉末，最后将复合粉末进行冷 压、粉末烧结和热挤压，得到ODS铁素体不锈钢。本申请在低能球磨的过程中，由于球磨速 度较低，能量较低，铁素体预合金粉末在球磨过程中不发生机械合金化作用，而发生塑性变 形，使铁素体预合金粉末变成片粉状，提高了铁素体不锈钢预合金粉末的比表面能；再以其 作为基体材料添加 Y2O3粉末，使Y 2〇3均匀地分散到铁素体不锈钢中，最终得到了强度高、韧 性好的ODS铁素体不锈钢。

　　【附图说明】

　　[0020] 图1为传统机械合金化法制备ODS铁素体钢的工艺方法示意图；

　　[0021] 图2为采用本发明制备ODS铁素体钢的工艺方法示意图；

　　[0022] 图3为随球磨时间增长铁素体不锈钢粉末形貌及尺寸变化的SEM照片；

　　[0023] 图4为本发明制备氧化物弥散强化ODS铁素体钢的流程示意图。

　　【具体实施方式】

　　[0024] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。

　　[0025] 本发明实施例公开了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

　　[0026] A)，制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W ;

　　[0027] B)，将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合 金粉末；

　　[0028] C)，将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y2O3粉末进行混粉 处理，得到复合粉末；

　　[0029] D)，将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤 压，得到ODS铁素体不锈钢。

　　[0030] 如图4所示，图4为本发明制备ODS铁素体不锈钢的流程示意图。根据图4,本申 请制备ODS铁素体不锈钢的过程主要包括：利用低能球磨工艺对铁素体不锈钢预合金粉末 进行活化处理，提高其表面能；其次对片状粉末进行表面改性并与纳米氧化物颗粒进行混 粉；然后除气、固结、烧结处理；最后通过热挤压使铁素体不锈钢致密化，得到了 ODS铁素体 不锈钢。

　　[0031] 按照本发明，在制备ODS铁素体不锈钢的过程中，首先制备铁素体不锈钢预合金 粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W。所述铁素体不锈钢预合金粉末的平均粒径小于100 微米，颗粒越细小，越有利于烧结性能的提高。本申请所述铁素体不锈钢预合金粉末优选采 用水雾法制备得到。所述铁素体不锈钢中Ti的含量小于或等于I. 5wt%，W的含量小于或 等于 I. 5wt%。

　　[0032] 本申请将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预 合金粉末。铁素体不锈钢预合金粉末为BCC晶体结构，室温下滑移系多，具有较高的塑性变 形能力。在低能球磨过程中，由于球磨速度较低，能量较低，铁素体不锈钢预合金粉末在球 磨过程中不发生机械合金化作用，而发生塑性变形，也即所谓的微乳制。如附图3所示，图3 为随球磨时间增长铁素体不锈钢粉末形貌及尺寸变化的SEM照片；其中图2a为初始水雾化 410L铁素体不锈钢预合金粉末的SHM照片，图2b为球磨Ih后的预合金粉末的SHM照片，图 2c为球磨3h后的预合金粉末的SEM照片，图2d为球磨7h后的预合金粉末的SEM照片，由 图3可知，在湿磨过程中，铁素体不锈钢预合金粉末在微乳作用下变成片粉状，随着球磨时 间的延长，片状粉末厚度可以细化到纳米级。

　　[0033] 本申请所述低能球磨优选为湿磨，所述湿磨的助磨剂优选为硬脂酸，所述湿磨的 介质优选为乙稀醇。所述低能球磨的磨球直径为l〇mm、5mm和3mm的淬火钢球，球料比为 20:1，所述低能球磨的转速为150~250rpm，所述低能球磨的时间为5~15h。

　　[0034] 本发明然后将得到的纳米级片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与 Y2O3粉末进行混粉处理，得到复合粉末。纳米片状铁素体不锈钢预合金粉末具有特殊的烧结 粗化行为，以纳米片状铁素体不锈钢预合金粉末作为基体材料，通过组装Y 2O3粉末，使Y 2〇3 弥散分布于片状铁素体不锈钢预合金粉末表面，有利于获得强度高、韧性好的ODS铁素体 不锈钢。在上述过程中，所述Y2O 3粉末的粒径为50nm以下，Y 203粒径越细，弥散强化效果越 好，最终获得的块体铁素体ODS钢性能越好。所述Y 2O3在铁素体不锈钢中的含量小于或等 于1. 5wt %。本申请所述混粉处理优选为干法混粉或湿法混粉，所述干法混粉是在室温下， 在滚筒球磨机上片状预合金粉末与Y2O 3纳米颗粒进行球磨混合，但是Y 2〇3分散性不好；所 述湿法混粉是对Y2O3纳米颗粒和铁素体片状预合金粉末进行表面处理，如前者羧基化，后 者羟基化，然后在滚筒球磨机上进行混粉。本申请所述混粉处理优选为湿法混粉。

　　[0035] 按照本发明，再将复合粉末进行冷压，使复合粉末固结成型；然后进行烧结，最后 进行挤压。上述过程中，所述烧结的温度优选为IKKTC~1300°C，所述烧结的时间优选为 2~5h。所述热挤压的温度优选为850~1100 °C，所述热挤压的挤压比优选为10:1~30:1。

　　[0036] 通过对比图1和图2可知，传统工艺将铁素体钢预合金粉末和Y2O3颗粒一起放入 球磨机，进行高能球磨，在高能球磨过程中Y2O3分解并与铁素体预合金粉末发生反应；而本 申请将铁素体不锈钢预合金粉末进行长时间低能球磨以制备片状预合金粉末，再过滤烘干 收集片状预合金粉末，继而将纳米Y2O 3颗粒和片状预

　　合金粉末进行混粉，然后通过冷压、烧 结进行固结处理，最后通过热挤压进行致密化处理，获得块体ODS铁素体钢。本发明仅将 铁素体钢预合金粉末进行低能球磨，获得片状铁素体预合金粉末后再引入Y 2O3纳米颗粒， 此过程无机械合金化作用，防止了 Y2O3的分解以及与铁素体机体反应，避免了传统高能球 磨工艺过程中Y2O 3分解并与铁素体基体发生反应的弊端；以复合纳米片层结构单元进行组 装，有效控制了 Y2O3颗粒相在铁素体基体内的尺寸分布和空间分布，实现了 Y 2〇3颗粒相在晶 内均匀弥散分布。本申请制备的ODS铁素体不锈钢作为结构钢材料，具有强度高、塑性好、 高温性能优良和低活化等特点，适合应用于高温环境或强中子辐射环境。

　　[0037] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的ODS铁素体不锈钢的制 备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

　　[0038] 实施例1

　　[0039] 以商业410L不锈钢为初始材料，添加 0. 5%的Ti后制备出410L-0. 5% Ti铁素体 不锈钢，然后采用水雾化法制备出平均粒径约为80 μ m的410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合 金粉；

　　[0040] 将410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉倒入球磨罐，加入质量百分比为1 %硬脂 酸作为助磨剂，然后加入磨球，磨球为直径分别为l〇mm、5mm和3mm的大中小三种淬火钢球， 球料比为20:1，最后加入球磨介质无水乙醇至浸没磨球和粉末，设定转速为200rpm左右， 球磨时间为3h，得到纳米尺寸片状铁素体不锈钢预合金粉末；

　　[0041] 将片状410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤、烘干收集；将片状 410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉末进行聚乙烯醇（PVA)表面改性处理，再和羧基化表 面改性处理后的Y2O 3纳米颗粒悬浊液一同放入滚筒球磨机进行5h球磨混粉处理（Y 203所占 比重约为0. 25wt% )，过滤、烘干后获得片状Y203/410L-0. 5% Ti复合粉；

　　[0042] 将片状Y203/410L-0. 5% Ti复合粉末进行冷压固结成形，然后进行粉末烧结处 理，烧结温度为1100~1300°C，烧结时间为2h ;将烧结后的材料进行热挤压致密化处 理，挤压温度850~1100 °C，挤压比20:1，挤压后得到最终的块体ODS铁素体钢0. 25% Y203/410L-0. 5% Ti。

　　[0043] 检测本实施例制备的ODS铁素体不锈钢的性能，检测结果如表1所示，由表1可 知，本实施例制备的ODS铁素体不锈钢的室温拉伸屈服强度约为295MPa，延伸率约为15%， 625°C高温拉伸屈服强度约为175MPa，延伸率约为27%。

　　[0044] 实施例2

　　[0045] 以商业410L不锈钢为初始材料，添加 0. 5%的Ti后制备出410L-0. 5% Ti铁素体 不锈钢，然后采用水雾化法制备出平均粒径约为80 μπι的410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢粉；

　　[0046] 将410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉末倒入球磨罐，加入质量百分比为1 %硬 脂酸作为助磨剂，然后加入磨球，磨球为直径分别为l〇mm、5mm和3mm的大中小三种淬火钢 球，球料比为20:1，最后加入球磨介质无水乙醇至浸没磨球和粉末，设定转速为200rpm左 右，球磨时间7h，得到纳米尺寸片状铁素体不锈钢预合金粉末；

　　[0047] 将片状410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤、烘干收集；将片状 410L-0. 5% Ti铁素体不锈钢预合金粉末进行聚乙烯醇（PVA)表面改性处理，然后和羧基化 表面改性处理后的Y2O3纳米颗粒悬浊液一同放入滚筒球磨机进行5h球磨混粉处理，过滤、 烘干后获得片状Y 203/410L-0. 5% Ti复合粉（Y2O3所占比重约为0. 25wt% );

　　[0048] 将片状Y203/410L-0. 5% Ti复合粉末进行冷压固结成形，然后进行粉末烧结处 理，烧结温度为1100~1300°C，烧结时间为2h ;将烧结后的材料进行热挤压致密化处 理，挤压温度850~1100 °C，挤压比20:1，挤压后得到最终的块体ODS铁素体钢0. 25% Y203/410L-0. 5% Ti。

　　[0049] 检测本实施例制备的ODS铁素体不锈钢的性能，检测结果如表1所示，由表1可 知，本实施例制备的ODS钢的室温拉伸屈服强度约为335MP，延伸率约为12 %;625 °C高温拉 伸屈服强度约为224MPa，延伸率约为20%。

　　[0050] 实施例3

　　[0051] 以商业410L不锈钢为初始材料，添加 0. 5%的W后制备出410L-0. 5% W铁素体不 锈钢，然后采用水雾化法制备出平均粒径约为80 μπι的410L-0. 5% W铁素体不锈钢预合金 粉；

　　[0052] 将410L-0. 5% W铁素体不锈钢预合金粉末倒入球磨罐，加入质量百分比为1 %硬 脂酸作为助磨剂，然后加入磨球，磨球为直径分别为l〇mm、5mm和3mm的大中小三种淬火钢 球，球料比为20:1，最后加入球磨介质无水乙醇至浸没磨球和粉末，设定转速为200rpm左 右，球磨时间7h，得到纳米尺寸片状铁素体不锈钢预合金粉末；

　　[0053] 将片状410L-0. 5% W铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤、烘干收集；将片状 410L-0. 5% W粉末进行聚乙烯醇（PVA)表面改性处理，再和羧基化表面改性处理后的 Y2O3纳米颗粒悬浊液一同放入滚筒球磨机进行5h球磨混粉处理，过滤、烘干后获得片状 Y203/410L-0. 5% W 复合粉（Y2O3所占比重约为 0· 25wt% );

　　[0054] 将片状Y203/410L-0. 5% Ti复合粉末进行冷压固结成形，然后进行粉末烧结处理， 烧结温度为1100~1300°C，烧结时间为2h ;将烧结后的材料进行热挤压致密化处理，挤压 温度850~1100°C，挤压比20:1，

　　[0055] 挤压后得到最终的块体ODS铁素体钢0· 25% Y203/410L-0. 5% W。

　　[0056] 检测本实施例制备的ODS铁素体不锈钢的性能，检测结果如表1所示，由表1可 知，本实施例制备的ODS铁素体不锈钢的室温拉伸屈服强度约为337MPa，延伸率约为11 %; 625°C高温拉伸屈服强度约为230MPa，延伸率约为20%。

　　[0057] 表1实施例1~实施例3制备的ODS铁素体不锈钢的性能数据表

　　[0059] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

　　[0060] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。

　　【主权项】

　　1. 一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括以下步骤： A) ，制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W; B) ，将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合金粉 末； C) ，将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y203粉末进行混粉处理， 得到复合粉末； D) ，将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤压，得 到0DS铁素体不锈钢。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁素体不锈钢预合金粉末采用 雾化法制备得到。3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低能球磨为湿磨。4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤Β)中所述低能球磨的磨球直径 为10mm、5mm和3mm的淬火钢球，球料比为20:1，所述低能球磨的转速为150~250rpm，所 述低能球磨的时间为5~15h。5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中所述铁素体不锈钢预合金 粉末的平均粒径为100μm以下。6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混粉处理为湿法混粉。7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述0DS铁素体不锈钢中Ti的含量 小于或等于1. 5wt%，W的含量小于或等于1. 5wt%，Y203的含量小于或等于1. 5wt%。8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Y203粉末的粒径为50nm以下。9. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉末烧结的温度为1100°C~ 1300°C，时间为2~5h。10. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热挤压的温度为850°C~ 1100°C，挤压比为 10:1 ~30:1。

　　【专利摘要】本发明提供了一种ODS铁素体不锈钢的制备方法，包括：制备铁素体不锈钢预合金粉末，所述铁素体不锈钢中含有Ti或W；将所述铁素体不锈钢预合金粉末进行低能球磨，得到片状铁素体不锈钢预合金粉末；将所述片状铁素体不锈钢预合金粉末进行过滤，烘干后与Y2O3粉末进行混粉处理，得到复合粉末；将所述复合粉末进行冷压，再进行粉末烧结，然后将烧结后的材料进行热挤压，得到ODS铁素体不锈钢。本申请采用低能球磨处理获得了片状铁素体不锈钢预合金粉末，然后以其作为结构单元进行组装，有效控制了Y2O3颗粒相在铁素体不锈钢基体内的尺寸分布和空间分布，实现了Y2O3颗粒相在晶内的均匀弥散分布，获得了力学性能较好的铁素体不锈钢。

　　【IPC分类】C22C38/28, C22C33/02, C22C38/22

　　【公开号】CN105401047

　　【申请号】CN201610006007

　　【发明人】郭宁, 宋波, 刘婷婷

　　【申请人】西南大学

　　【公开日】2016年3月16日

　　【申请日】2016年1月5日