【摘 要】
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氧化物弥散强化(ODS)合金具有优良的抗高温蠕变性能、抗辐照损伤及耐腐蚀性能。这类合金是目前核能、航空航天发动机等能源与载运工程领域备受关注的一类重要材料。本论文以ODS-Cu和ODS-钢为代表,探索熔铸制备ODS合金的可行性。目前成熟的ODS-Cu制备方法主要是内氧化法,但存在工艺流程复杂、周期长等缺点,导致国内工业化生产困难。ODS-钢只能通过机械合金化法制备,但是作为一种结构材料,其用量通常
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氧化物弥散强化(ODS)合金具有优良的抗高温蠕变性能、抗辐照损伤及耐腐蚀性能。这类合金是目前核能、航空航天发动机等能源与载运工程领域备受关注的一类重要材料。本论文以ODS-Cu和ODS-钢为代表,探索熔铸制备ODS合金的可行性。目前成熟的ODS-Cu制备方法主要是内氧化法,但存在工艺流程复杂、周期长等缺点,导致国内工业化生产困难。ODS-钢只能通过机械合金化法制备,但是作为一种结构材料,其用量通常在数百公斤甚至吨级以上,以目前的制备方法无法满足其工业化的需求。本论文为解决规模化制备等难题,系统探索了ODS-Cu和ODS-钢熔铸制备工艺的可行性,提出利用熔体快淬技术制备含氧非晶合金作为中间合金,将其与Cu或钢混合后,感应熔炼直接制备ODS-Cu和ODS-钢,工艺简单、高效,且能够实现规模化制备。通过OM、XRD、TEM等技术进行组织和微结构表征,并利用硬度仪、拉伸试验机对其力学性能进行测试,用EPMA等进行成分分析测试,以此来系统地验证熔铸制备工艺的可行性。论文主要研究结果如下:(1)设计了(Fe40Y60)96O4、(Zr76Fe24)98O2两种中间合金,采用熔体快淬技术制备了含氧中间合金。其一:实验结果分析表明(Fe40Y60)96O4合金为非晶结构,且非晶基体上弥散分布着氧化物颗粒。DSC结果表明其非晶晶化温度(Tx)随名义氧含量的增加而升高,表明氧元素进入了非晶基体点阵结构。其二:(Zr76Fe24)98O2合金为非晶结构,Tx同样随名义氧含量的增加而升高。选取这两种合金,用于熔铸制备ODS-Cu和ODS-钢。(2)采用中间合金与Cu或钢直接熔炼制备ODS合金,并且探索了19 min、22 min、31 min、40 min四种不同熔炼时间对ODS-Cu合金制备的影响。当熔炼时间小于22 min时,熔炼状态好、熔体流动性好,熔体表面漂浮物少,浇铸之后成型性好。当熔炼时间大于22 min时,熔体表面形成大量漂浮物,且熔炼40 min漂浮物最多。主要原因是氧化物在熔体内不断形成,熔炼时间过长导致原位生成的氧化物不断聚集长大,漂浮在熔体表面。因此,熔炼时间过长会导致样品氧化物含量降低;熔炼时间小于22 min会带来更佳的制备效果。(3)ODS-Cu性能表征:ODS-Cu的EPMA及TEM表征发现:基体内存在1~10 nm弥散分布的氧化物。力学性能表征发现:475℃时效2 h样品屈服强度约为375 MPa,抗拉强度约为410 MPa。对比高温力学性能发现,本实验制备的ODS-Cu合金450℃的高温抗拉强度最高在285 MPa、最低在235 MPa,均高于Glidcop-Al25,并且σs/σb均高于Glidcop-Al25(75%),因此本实验样品的抗高温软化性能优于Glidcop-Al25。证明了通过简单熔炼工艺制备公斤级ODS-Cu合金的可行性。(4)ODS-钢性能表征:分别将不同成分含氧中间合金和CLAM钢、Fe Cr Al钢、Fe Mn钢混合,探索熔铸法制备ODS-钢的可行性。主要的实验结果如下:通过感应熔炼制备ODS-钢,对其硬度表征发现,所有加入中间合金钢的硬度均低于基体钢或与之相近;通过对样品的TEM明场和电子衍射花样的标定,均未发现氧化物的存在。可能原因:钢的熔点高(>1500℃),含氧中间合金加入后,导致中间合金烧损严重,且由于感应熔炼的熔体不停翻动,使其原位形成的氧化物漂浮于表面;中间合金加入后,钢中的杂质元素(Ca、Si、S、P等)和中间合金的氧反应,且稀土元素和氧、硫也易形成化合物,在熔体内造渣,浮于表面。因此熔铸法制备ODS-钢仍需进一步探索。
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