微波烧结ODS铁素体钢组织及性能研究毕业论文
2021-12-08 21:44:32
论文总字数：22420字
摘 要
ODS合金,氧化物弥散强化合金(Oxide dispersion-strengthened alloy)是基于马氏体钢和铁素体钢基础上形成的材料，通过在合金基体内添加尺寸为纳米级的强化相，经过热成型以及热处理后形成的高性能结构材料，具有广阔的前景。由于其超强的高温机械性能和耐蚀性，已被研究用于与核聚变相关的领域，是一种具有承受高中子通量的理想核包壳材料。
本文首先研究了Si元素的添加量对14Cr-ODS铁基合金的微观组织、相对密度、力学性能以及抗氧化性能的影响。研究表明Si元素能显著提高14Cr-ODS铁基合金致密程度、力学性能以及抗氧化性能。随着Si元素含量的增加，烧结体的相对密度从82%~86%最高增长能到96.6%。在各实验组中，添加了1wt%Si的烧结体在1350℃进行真空烧结后具有最高的拉伸强度，达到了696.7MPa。在650℃氧化条件下，Si添加量为1wt%的A3烧结体在100小时后的增重率小于0.5mm/cm2，而未添加Si元素的A1烧结体增重率在3.8mm/cm2左右；而在850℃条件下前者增重率仅在2.0mm/cm2左右，后者则超过了26mm/cm2。
本文采用微波烧结工艺制备了ODS铁基合金，对ODS铁基合金的微观组织、相对密度、力学性能的影响进行了系统研究。结果表明采用微波烧结的合金比真空烧结工艺制备的合金拥有更高的拉伸强度，其值最高可达692.1MPa。
关键词：14Cr-ODS铁基合金；真空烧结工艺；微波烧结工艺；机械合金化工艺；硅含量
Abstract
ODS alloy, Oxide Dispersion-strengthened alloy(Oxide dispersion-strengthened alloy) is a material formed on the basis of martensitic steel and ferritic steel, by adding a nano-sized strengthening phase in the alloy matrix, after thermoforming and High-performance structural materials formed after heat treatment have broad prospects. Due to its excellent mechanical properties at high temperatures and its resistance to corrosion, it has been studied in the field of nuclear fusion and is an ideal nuclear coating material with a high neutron flux.
In this paper, the effect of the amount of Si added on the microstructure, relative density, mechanical properties and oxidation resistance of the 14Cr-ODS iron-based alloy is studied. Studies have shown that the Si element can significantly improve the density, mechanical properties and oxidation resistance of 14Cr-ODS iron-based alloys. As the content of Si elements increases, the relative density of the synthetic body can increase from 82%-86% to 96.6%.In each experimental group, the sintered body added with 1wt% Si had the highest tensile strength after vacuum sintering at 1350 ℃, reaching 696.7MPa. Under 650 ℃ oxidation conditions, the weight gain rate of A3 sintered body with 1wt% Si added after 100 hours is less than 0.5mm / cm2, while the weight increase of sintered A1 without added Si element is 3.8mm / cm2 At 850 ℃, the former's weight gain rate is only about 2.0mm / cm2, while the latter is over 27mm / cm2.
In this paper, the iron-based ODS alloy was prepared by a microwave sintering process and the effects of the microstructure, relative density, and mechanical properties of the iron-based ODS alloy were systematically investigated. The results show that the sintered microwave alloy has a higher tensile strength than the alloy produced by vacuum sintering process and its value can reach 692.1MPa.
Key Words：14Cr-ODS iron-based alloy；Vacuum sintering process；Microwave sintering process；Mechanical alloying process；Silicon
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 ODS合金研究现状 1
1.2.1 ODS合金简介 1
1.2.2 ODS合金制备方法研究进展 1
1.3 微波烧结技术 3
1.3.1 微波烧结技术的发展史 3
1.3.2 微波烧结技术的原理及特点 3
1.3.3 微波烧结设备与工艺参数 3
1.3.4 微波烧结技术在金属材料中的应用 4
1.4 本文的研究内容、目的及意义 4
第2章 实验及测试方法与设备 5
2.1 引言 5
2.2 实验材料 5
2.3 实验方法及设备 5
2.3.1 机械合金化工艺 5
2.3.2 模压成形 6
2.3.3 真空烧结 6
2.3.4 微波烧结 6
2.4 性能及组织分析方法 6
2.4.1 拉伸测试 7
2.4.2 相对密度测试 8
2.4.3 其他测试手段 8
第3章 实验步骤、结果及分析 9
3.1 引言 9
3.2 机械合金化工艺 9
3.2.1 实验原料 9
3.2.2 实验参数 10
3.3 机械合金化工艺 10
3.3.1 实验原料 10
3.4 真空烧结 10
3.4.1 实验步骤及测试方法 10
3.4.2 实验结果及分析 11
3.4.2.1 Si含量对合金相对密度的影响 11
3.4.2.2 Si含量对14Cr-ODS铁素体钢室温性能、组织的影响 12
3.4.2.3 不同Si含量合金断口分析 13
3.4.2.4 Si含量对14Cr-ODS铁素体钢抗氧化性能的影响 14
3.5 微波烧结 17
3.5.1 实验步骤及测试方法 17
3.5.2 实验结果及分析 18
3.5.2.1 XRD分析 18
3.5.2.2 组织及断口分析 19
3.5.2.3 合金的力学性能 20
第4章 全文总结 23
参考文献 24
致谢 27
第1章 绪论
1.1 引言
随着人类社会的高速发展，能源问题也日益凸显了出来，在去年，就有报道称建造房屋所使用的优质沙砾将在不久后就会被用完。不可再生能源不断减少且在不久的未来便会相继告急，而传统的核裂变反应堆核电站反应放能效率比较低，反应后的核废料放射性极强、难以处理，并且核废料的半衰期非常的长，处理不好会对环境造成很大的破坏。安全事故的后果也很严重，1986年切尔诺贝利事故炸造成了惨重的损失，切尔诺贝利核电站所在的乌克兰普皮亚季如今仍是鬼城。因此，出于对人类安全以及环境的考虑，我们是无法建造大量的核裂变反应堆核电站的。而核裂变不仅原材料好获取，而且储量非常的巨大，我们可以从海水中提取氢的同位素即氚，再加上月球上还有大量的氦-3，可供我们人类好几个世纪。氦3可以与氘一同参与核聚变反应堆反应，而且反应放能效率极高，产物无污染、不具放射性，是未来人类能源的首选。近几年，随着科学技术的迅猛发展，目前世界各国学者们已经在实验室成功实现了较长时间的磁约束核聚变过程。相较于核裂变堆而言，核聚变堆中的核心结构材料往往承受着更高的能量冲击、更严酷的元素辐照以及更复杂的腐蚀环境，因此，该技术的发展也不断对关键材料性能的提高提出更高的要求。
1.2 ODS合金研究现状
1.2.1 ODS合金简介
ODS合金,氧化物弥散强化合金(Oxide dispersion-strengthened alloy)，作为一种有广阔前景的结构材料，由于其超强的高温机械性能和耐蚀性，已被研究用于与核聚变相关的领域，是一种具有承受高中子通量的理想核包壳材料。ODS合金将具有高稳定性的且尺寸为纳米级的细小氧化物添加到合金基体中，作为第二相（强化相），通过一定的处理方法比如机械合金化工艺将其固溶到合金基体中，在之后的热固化成型和热处理中这些纳米级的细小氧化物的分子活化后与合金结合形成尺寸在几纳米的弥散强化相，合金获得超稳定的强化态，制得的合金具有优异的性能，具有较好的高温抗蠕变、高温强度、抗中子及氢同位素辐照的特性。
1.2.2 ODS合金制备方法研究进展
ODS合金从20世纪初开始被研究，但由于技术的限制，传统的冶金方法无法将纳米级的氧化物均匀的添加到合金基体中形成弥散强化相。直到上个世纪70年代左右本杰明先生发明了机械合金化法（mechanical alloying，MA）ODS合金才得到快速的发展，在1993年，仅美国一个国家的ODS合金产量就达到了200吨。到现在，能够被批量生产的ODS合金有20余种，在航空航天发动机、燃气机轮、汽车工业、核反应堆内得到广泛运用。
ODS合金的生产主要是通过粉末冶金的方式来完成的。但不同于传统的粉末冶金工艺，它运用了机械合金化、热等静压（HIP）、热挤压（HE）、放电等离子烧结（SPS烧结）、以及微波烧结等方法。
机械合金化工艺（MA）是将纳米级的超细氧化物粉末（一般为Y2O3）与多种金属混合而成的合金粉末按一定的比例混合均匀后放入拥有惰性气体保护的高能球磨机内进行机械合金化球磨处理。为了增加球磨的效率，球磨机内加有一定量的钢球。随着球磨的进行，氧化物逐渐固溶到合金基体中。初期阶段，合金粉末因为与钢球和球磨机的内壁不断的摩擦产生的热量聚集成一个个小团，之后团聚在一起的合金粉末颗粒随球磨时间的增加，与内壁和钢球不断摩擦而慢慢细化，最终可细化为约十几μm的等轴晶粒，此时合金粉末之间达到了冷焊-断裂的动态平衡，而氧化物弥散相则均匀的分布在合金化的颗粒中，机械合金化结束。然而传统的机械合金化存在着效率低、花费时间长、容易引入杂质等缺点。
热等静压工艺（HIP）通过在密闭的容器内对合金与超细氧化物和混合粉末施加适当的高压和设置足够高的温度，并保持一定的时间，使粉末的相对密度大大提高，制得的ODS合金相对密度可达到99%以上。为了使粉末颗粒之间的孔隙因为颗粒的变形而变小从而提高材料的致密程度，施加的压力必须要大于粉末在相应温度下的屈服应力；由于低温有利于抑制晶粒的长大，进而能提高合金的性能，因此HIP工艺的设定温度不宜过高；为保证合金有良好的相对密度，保压时间长度应足以消除晶粒间的孔隙。ODS合金的压制压力一般为110-220MPa，压制温度在1000-1250摄氏度，保压时间应不少于2小时，但不宜过长。Z.oksiuta等人[1]经研究，压力和保压时间会对材料组织的致密程度造成影响。采用的工艺参数为1100℃/(185MPa, 195 MPa,205MPa)/(3小时,4小时,5小时)。结果发现并不是保温时间越长的试样相对密度就越大。保温时间过长会导致晶粒尺寸变大从而使合金的相对密度降低。工艺为1100℃/185MPa/3小时的试样的相对密度为96.8%;1100℃/205MPa/3小时的样品相对密度最大,达到98.9%。而在同等温度同等压力的下保温5小时的试样组织内有较多的孔隙，相对密度较前两者都有显著的降低。文献[2]说明了压制温度对合金组织的影响。对经过机械合金化的14-Cr铁基合金粉用热等静压工艺致密化,在设定温度分别为900℃，1000℃，1100℃时，施加高压200MPa，保温2.5小时。结果发现,900℃条件下的热等静压试样中的粉末颗粒之间没有明显的孔隙。而在设定温度为1000℃和1100℃制得的试样相对密度有所降低，合金组织内存在着许多孔隙。由此可知，随温度升高,晶粒长大,位错密度降低;纳米氧化物颗粒半径尺寸增大,数量减少。因此,必须严格控制热等静压工艺的压制温度、压制压力和保压时间。
热挤压工艺（HE）可获得相对密度为100%的材料。大切剪力可细化晶粒，实现超塑性成形。HE后的晶粒尺寸可达到0.4μm左右，而第二相氧化物颗粒尺寸可达到1.5nm左右，极细氧化物还能均匀的分布在基体中。挤压比、挤压温度以及挤压的速度是影响合金性能及内部组织的重要因素。通过适当降低挤压温度，提高挤压比以及增大积压的速率，可使合金内部获得较高内应力，热处理后可形成粗大的柱状晶组织，从而提高高温蠕变性能。但虽然通过HE成形的ODS合金致密度较高，由于挤压，材料会出现各向异性。
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