《稀土氧化物弥散强化铁基钢合金.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《稀土氧化物弥散强化铁基钢合金.doc（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、氧化镧弥散强化铁基钢合金的制备及性能研究二期阅读汇报第一章 绪论一、前言延伸阅读稀土氧化物掺杂钢合金工艺1.1固-固掺杂在铁基体的粉末中直接添加稀土氧化物粉末，基体来自于高纯度的母合金锭制成的粉末，第二相即为纳米级稀土氧化物粉末。在制取掺杂粉末的过程中，一般采用机械混合法，用球磨机等设备将粉末机械地掺和均匀。掺杂粉末制取以后，再经压制成形、烧结、烧结后处理、轧制等工艺，最终制得所需的坯料、板材或线材等。在掺杂量比较大的情况下，固-固掺杂工艺是可行的，掺杂物可以比较均匀的分布在基体粉末中。它的优点是可以很好的控制掺杂量，生产周期短，易于组织生产及实现工业化。但是在掺杂量很少时，特别是制取低稀土钢
2、材时，固-固掺杂就很难保证掺杂均匀，不均匀的粉末也就很难制出均匀的烧结坯，从而导致所制得的钢材性能不能达到理想要求。1.2液-固掺杂在掺杂量很少时，固-固掺杂很难保证掺杂的均匀性。为了解决这个问题，掺杂剂可以以溶液的方式掺杂在钢合金粉末中，即采用液-固掺杂方式。液-固掺杂是将稀土元素以稀土盐溶液的形式加入到钢合金粉中。在还原过程中，稀土盐分解，钢合金粉中的稀土元素以氧化物和稀土-铁复合氧化物的形式存在。掺杂钢合金粉末再经压制成形、烧结、烧结后处理、轧制等工艺，最终制得所需的坯料、板材或线材等。液-固掺杂是在固-固掺杂的方法上发展起来的，无论是高稀土掺杂还是低稀土掺杂，都可以保证稀土元素分布较均
3、匀，掺杂量容易控制。但液-固掺杂的后续工序长，生产周期也较长，设备投入多，加入调浆不均或烘干时出现偏析的话，它的均匀性还是不好的。1.3液-液掺杂稀土氧化物在铁基体中主要起弥散强化作用，因此，弥散相的均匀分布有着重要意义。固-固掺杂和液-固掺杂都难以充分保证稀土元素在基体中均匀分布。如果将掺杂基体和掺杂剂都以溶液方式混合在一起，基体和掺杂元素的均匀性就必然好得多。稀土氧化物液-液掺杂是一种新技术，目前研究和报道的很少。二、钢的热强性2.1高温蠕变金属在高温下长时间承受载荷时，工件在远低于抗拉强度的应力作用下会产生连续塑性变形，这是零件的失效形式往往不是断裂而是尺寸超过允许变形量，这种塑性变形称
4、为蠕变。高温时，材料受力作用时间越长，它的强度值越低。热强行表示金属在高温和在和长时间作用下抵抗蠕变和断裂的能力，即高温强度。如图所示是典型的蠕变曲线。对于一定的材料，蠕变的大小是应力、温度和时间的函数。蠕变曲线揭示了高温下金属强度本质的变化规律。可以认为，蠕变现象的本质是金属在高温和应力双重作用下金属强化和弱化（消强化）两个过程同时发生和发展的结果。在常温下，当金属承受的应力超过其屈服极限时，会发生变形，并由变形引起强化。当强化使强度与承受的应力相等时，会发生变形，并由变形引起强化。当强化时强度与承受的应力相等时，变形即告终止。这时，即使长时间承受应力，也不会有蠕变现象发生。可是如果金属受载
5、时所处的温度超过该金属的再结晶温度，那么在形变强化的同时，金属组织中会发生回复及再结晶等一系列的消强化过程，则纯强化结果永远不能与外部载荷达到平衡，新的变形将持续产生，因而出现了蠕变现象。由于弱化过程需要一定的时间，所以蠕变的变形量也是时间的函数。2.2表证材料的热强行指标表征材料的热强性指标主要有以下几种：（1） 蠕变极限：是指在一定温度下，在规定时间内使材料产生一定蠕变变形量的最大应力。如=68.6MN/m，表示钢在550经10h工作或实验后，允许总变形量为1%时的应力为68.6MN/m。（2） 持久强度：是指在规定的温度下（T），材料达到规定的持续时间（）而不发生断裂的最大应力，通常用
6、表示，如表示在700下，经1000h后的破坏应力。（3） 持久寿命：是指材料在某一定温度和规定应力作用下，从作用开始到拉断的时间，是表征材料在高温下对破断的抗力的指标。（4） 应力松弛：材料在高温长期应力作用下，其总变形量不变，材料中的应力随时间增长而自发地逐渐下降的现象称为应力松弛。（5） 机械疲劳：高温机械疲劳指金属材料抵抗高温疲劳能力的大小，用在一定温度下测得的疲劳极限来表示，疲劳极限表现一种材料对周期应力的承受能力。（6） 热疲劳：航空发动机叶片、导向叶片、涡轮盘等零部件经常在温度急剧交变的情况下工作，同样，电厂中汽轮机的部件也会出现由于温度交变而造成的损坏现象。三、耐热钢及耐热合金3
7、.1提高耐热钢高温强度的措施从材料的强度与晶体结构出发，提高耐热钢高温强度的措施有以下几个：（1） 强化基体，提高合金基体原子间的结构力，增大原子自扩散激活能。金属熔点越高，金属原子间结合将越强，耐热合金要选用熔点高的金属作为基体，铁基、镍基、钼基耐热合金的熔点依次升高。（2） 采用面立方结构的钢或合金。因为面心立方晶格比体心立方晶格致密度大，结合力强，再结晶温度高。（3） 强化晶界和改善晶界结构状态。提高晶界激活能，阻碍晶界运动。（4） 使晶粒粗化。高温使金属的破断与常温下不同，主要是沿晶界发生，晶粒粗大则晶界少，高温强度高。（5） 改变金属中位错组态。位错在滑移（或孪生）时受到运动阻力越大
8、，则金属抗变形能力越大；而减缓位错的扩散、攀移也会抑制扩散形变。因此改变金属中位错组态对热强性的影响将起巨大的作用。（6） 弥散相强化。合金中的第二相质点周围存在应力场，这种应力场对位错运动有阻碍作用，因而可强化合金。这种强化作用效果取决于弥散相质点的大小、分布和高温下的稳定性。（7） 钢中加入能提高再结晶温度的合金元素如Cr、Mo，可提高钢的高温强度。（8） 采用适当的热处理。一方面耐热钢可以获得需要的晶粒度，另一方面可以改善强化相的分布状态，调整基体与强化相的成分。3.2耐热钢分类耐热钢的分类方法有很多，但主要有两种。（1） 按组织结构分类。由于耐热钢的化学成分及热处理工艺不同，根据钢的组
9、织状态可分为以下几种：珠光体型耐热钢。这类耐热钢的组织主要是珠光体，一般在600以下工作，低合金铬钨钢、铬硅钢、铬镍铝钢是这类耐热钢的类型，在蒸汽轮机和锅炉制造中应用广泛。铁素体类型耐热钢。这类钢的组织是以铁素体为基体，一般在350650温度范围内工作，06Cr13Si3、10Cr17、16Cr25N等钢种均属此类，由于它们具有优异的抗氧化和耐水溶液腐蚀的性能，因此在动力工业、石油等领域中获得了广泛应用。奥氏体型耐热钢。该类钢的组织以奥氏体为基体，可在600870温度范围内工作，作为抗氧化钢可用到1200，代表性的钢种是含镍高于8%的铬镍奥氏体耐热钢，它们具有优异的抗氧化性能、良好的冶炼加工性
10、能以及力学性能。因此在各类工业中应用广泛。马氏体型耐热钢。含铬为9%13%的铬钢是该类钢的代表，在室温下组织为马氏体。在650以下具有较好的抗氧化性能，在600以下具有较好的热强性，因此在蒸汽轮机制造中获得了广泛的应用。（2） 按照钢的特性可为以下几种：抗氧化钢。这类钢在高温下具有较好的抗氧化性能而强度要求不高。例如，制造各类加热炉用零件和热交换器，制造锅炉用吊挂、加热炉炉底板和辊道以及炉管等，在这些情况下，抗氧化性能是主要指标，部件本身并不承受很大的附加应力。热强钢。它是指在高温时既能承受相当的附加应力又要具有优异的抗高温气体腐蚀的钢种。例如，汽轮机、燃汽轮机的转子和叶片，高温下工作的螺栓和
11、弹簧，内燃机的进气阀、排气阀等。耐热合金。它是指使用温度一般可达850以上的镍基和难熔金属为基的合金，主要有FeNi基、Ni基、Co基。由于以镍和难熔金属为基的耐热合金具有比铁及合金更高的耐热温度，又有良好的工艺性能，因而耐热高温合金特别是镍基合金得到了广泛使用。3.3耐热钢的合金化为提高耐热钢的抗氧化性和热强性，耐热钢中常用的合金元素有铬、钼、钨、铝、硅、镍、钛等。（1） 碳。碳能强化钢，在较低温度工作时，钢的蠕变主要以滑移为主，碳起积极作用；在高温时，钢的蠕变以扩散塑性变形为主，而碳促进了铁原子的自扩散，碳起不利作用。（2） 铬。铬是提高耐热钢抗氧化性。耐蚀性的主要元素。（3） 钼。钼是提
12、高低合金耐热钢热强性的主要元素，溶入基体起固溶强化作用。（4） 铝。铝是提高抗氧化性的主要元素，可以提高FeO生成的温度，改善钢的高温化学稳定性。（5） 硅。硅是提高抗氧化性的元素。（6） 镍。镍主要为了改善钢的工艺性能，获得奥氏体组织而加入的，其对抗氧化性影响不大。（7） 锰。锰对钢的抗氧化性影响较弱，能扩大FeO的生成温度范围，略降低抗氧化性能。（8） 钒、钛、铌。这些元素能形成稳定的碳化物，提高钢的松弛稳定性，也能提高热强性。（9） 稀土。少量稀土金属能够提高耐热钢和耐热合金的抗氧化性能。四、粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金是指在650以上的高应力状态下长时间使用的材料。按基体元素主要可
13、分为铁基高温合金（650850）、镍基高温合金（8001100）和钴基高温合金（8001100）。为改进喷发动机的效率和使用性能，要求不断研制出强度较高的高温合金。但这些高温合金在强度增高的同时，常规的热加工性却大大变坏，而粉末冶金工艺可以改变这种状态，故常用粉末冶金高温合金来替代相应的传统的铸锻材料。4.1弥散强化弥散强化材料是指金属或合金基体相与高度弥散的、基本上不溶于基体的金属或非金属相所组成的粉末冶金材料。弥散强化材料的强度不仅取决于基体和弥散相的本性，而且还决定于弥散相的数量、粒度和粒度分布、形态以及弥散像与基体的结合情况，同时也与制造工艺相关。弥散强化材料的主要特征是高温强度高和抗
14、蠕变性能好。强化机理与沉淀强化类似。但沉淀强化合金在高于沉淀相生成温度加热时，沉淀相会发生粗化和重溶，因此使用温度受到限制。而弥散强化合金，弥散相可以稳定到基体固相线温度。弥散质点的存在改变了合金的屈服强度、加工硬化、蠕变和断裂行为。高温强度，特别是蠕变速率受弥散相几何参数即基体中质点间的间距、质点的直径、形状（长宽比）的影响。其机制既受位错绕过第二项的影响，也受晶界滑移的影响，还没有一个被普遍接受的蠕变模型。弥散相选择的一般原则是：生成自由能高，熔点高，与基体不互溶，相界能低（即界面结合良好）等。弥散相通常是氧化物，也可以是稳定的金属间化合物，甚至是纯金属。4.2氧化物弥散强化铁基高温合金不
15、能用常规的熔铸工艺制造弥散强化材料，因为熔融金属与氧化物之间的界面能很高，这将导致熔体中产生偏析。因此现行的制造弥散强化材料的工艺都是粉末冶金法。可以用组分的简单机械混合或用盐溶液共同沉淀，用高能球磨进行机械合金化以及内氧化等方法来制备弥散强化材料的混合料，然后再将其进行成形和固结。4.2.1氧化物弥散强化铁基高温合金的分类在此引入氧化物弥散强化铁基高温合金。当前的研究主要集中在低活性铁素体钢(RAF)和低活性铁素体/马氏体双相钢(RAFM)两大类，主要区别在于Cr的含量，铁素体钢的Cr含量在14-20wt.%，而铁素体/马氏体钢的Cr含量大约在9-12wt.%。其中，这两种ODS铁基高温合金的常见牌号分别有：ODS铁素体钢代表有PM2000,MA957,12YWT,14YWT,ODS铁素体/马氏体钢主要有ODS Eurofer97,9Cr-ODS。通常，ODS铁素体钢比ODS铁素体/马氏体钢的室高温拉伸强度及蠕变强度高，而相对ODS铁素体钢的各向异性，ODS铁素体/马氏体钢的各向同性特征更具稳定性：在各个方向的力学性能基本差别不大。具有纳米特征强化的ODS铁素体钢有一个较大的缺陷就是合金的断裂朝性较差。4.2.2纳米特征ODS铁素体钢的特点纳米特征ODS铁素体钢具有两个主要特点：1、机械合金化粉末经过热固结成型后，合金的晶粒组织细小，约100到几百个nm；2、基体
