Y2O3和Ti含量對彌散強(qiáng)化鐵合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響★

趙昱臻，王立新，申 毅

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，山西 太原 030003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

Y2O3和Ti含量對彌散強(qiáng)化鐵合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響★

趙昱臻，王立新，申 毅

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，山西 太原 030003）

以水熱法制備的不同Y2O3含量的彌散強(qiáng)化（ODS）鐵合金粉末為原料，通過機(jī)械合金化工藝加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.8%、2%的合金元素Ti，再采用放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備彌散強(qiáng)化鐵合金。采用掃描電鏡（SEM）和電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行觀察和檢測，研究彌散相Y2O3和合金元素Ti含量對彌散強(qiáng)化鐵的微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)不加入合金元素Ti而Y2O3彌散相含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.0%時(shí)，彌散強(qiáng)化鐵達(dá)到最佳力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度537 MPa；加入0.8%的合金元素Ti后，彌散相顆粒明顯細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和硬度均明顯提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到710 MPa。

氧化物彌散強(qiáng)化 水熱合成 放電等離子燒結(jié) 力學(xué)性能

氧化物彌散強(qiáng)化［1］（OxideDispersionStrengthened，ODS）鐵合金是指通過穩(wěn)定的氧化物彌散相增強(qiáng)的鐵基合金。ODS鐵合金由于具有很優(yōu)異的高溫蠕變、高溫疲勞、抗輻射損傷和耐腐蝕等綜合性能，受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)被應(yīng)用于先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)耐高溫抗氧化部件、可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器熱防護(hù)面板等耐高溫材料領(lǐng)域［2-5］。目前，ODS鐵合金制備的主要步驟是：首先采用機(jī)械化制備ODS鐵合金粉末，然后采用熱等靜壓和熱擠壓［6-7］進(jìn)行致密化。通過這種工藝方法可成功制備多元ODS高溫合金，實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化相添加工藝的突破。

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，化學(xué)沉積、溶膠-凝膠等化學(xué)法用于添加Y2O3，可將細(xì)小氧化物質(zhì)點(diǎn)均勻分布于母相中［8］。水熱合成具有環(huán)境友好、低溫、產(chǎn)物純度高、分散性好、均勻、粒度分布窄、無團(tuán)聚、晶形好等特點(diǎn)，故成為重要的納米材料的制備技術(shù)。因而可采用水熱合成的方法制備彌散相氧化物與基體氧化鐵的復(fù)合粉體，進(jìn)一步還原得到氧化物彌散強(qiáng)化鐵粉。這種方法一方面操作簡單、反應(yīng)可控，另一方面制備的粉體粒徑均一，形貌完整［9］。

根據(jù)彌散強(qiáng)化機(jī)制［10］可知：彌散相顆粒越多、顆粒越細(xì)小均勻，顆粒間距越小，彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)化效果越好；但是，隨著彌散相含量的增多，一方面會產(chǎn)生粉末壓制燒結(jié)致密化困難等影響，另一方面，彌散相含量高使得制備顆粒細(xì)小均勻的彌散相難度大幅度增大，反而降低強(qiáng)化效果，所以彌散相的含量應(yīng)被控制在一定的范圍內(nèi)［11-12］。

由目前對ODS鐵合金的研究表明：當(dāng)加入合金元素Ti后，ODS鐵合金中的彌散相已不再以原來加入的彌散相Y2O3形式存在，取而代之的是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含Ti氧化物，如果加入的合金元素Ti含量和工藝控制得當(dāng)，這種氧化物不僅能非常均勻地分布于基體中，而且能進(jìn)一步細(xì)化彌散相顆粒，將彌散強(qiáng)化的效果優(yōu)勢發(fā)揮得更充分，使得ODS鐵合金獲得更優(yōu)越的高溫性能，尤其是蠕變性能［13-16］。

因此，本文選用水熱合成法先制備Y2O3彌散強(qiáng)化鐵粉，再通過機(jī)械合金工藝加入合金元素Ti，然后采用放電等離子燒結(jié)（SPS）將上述粉末進(jìn)行致密化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究水熱法制備彌散強(qiáng)化鐵時(shí)Y2O3和合金元素Ti含量對彌散強(qiáng)化鐵合金組織結(jié)構(gòu)和性能特征的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)采用水熱合成的方法首先制備w（Y2O3）分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的彌散強(qiáng)化鐵粉末，選取w（Y2O3）=1.0%的彌散強(qiáng)化鐵粉末為原料，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.8%和2.0%的合金元素Ti，采用震動球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械合金化，額定振動頻率為23.3 Hz，振幅為3～4mm，球料質(zhì)量比為25∶1，球磨時(shí)間為20 h。最后將得到的粉末分別取45 g均裝入直徑為Φ30mm的石墨模具中振實(shí)，然后在SPS-1050燒結(jié)爐中進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)具體工藝為：壓力50MPa，保溫溫度1050℃，保溫時(shí)間15min。

將得到的樣品經(jīng)過拋光和4%硝酸酒精侵蝕后，采用SUPRATM55型場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）觀察其微觀組織形貌和彌散相顆粒的分布。采用阿基米德排水法測量試樣密度。對于粉末冶金制備的結(jié)構(gòu)材料，抗拉強(qiáng)度和硬度是其主要力學(xué)性能指標(biāo)，因此對SPS制備的樣品主要分析其抗拉強(qiáng)度和硬度。采用500MRA洛氏硬度計(jì)測定燒結(jié)體試樣的洛氏硬度，樣品經(jīng)過打磨拋光后進(jìn)行測量，每個樣品測3個點(diǎn)，取其平均值作為最終結(jié)果。采用型號為CMT105的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測試室溫抗拉強(qiáng)度，拉伸速率為2 mm/min，拉伸樣平行段長度為15 mm，寬度和厚度均為3 mm。對每種樣品各取三個進(jìn)行測試，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 Y2O3含量對彌散強(qiáng)化鐵合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

采用相同的水熱合成工藝制備不同Y2O3含量的彌散強(qiáng)化鐵粉，經(jīng)過相同的放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備的樣品的力學(xué)性能見表1。從表1數(shù)據(jù)可見，當(dāng)w（Y2O3）＜1.0%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度隨著Y2O3含量的提高而增大，而延伸率則有所降低；當(dāng)w（Y2O3）＞1.0%后，試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度隨著Y2O3含量的提高而降低。當(dāng)w（Y2O3）=1.0%時(shí)，彌散強(qiáng)化效果最佳，力學(xué)性能達(dá)到峰值，氧化物的粒子間距比較小，起到了阻礙位錯運(yùn)動的作用；當(dāng)w（Y2O3）＞1.0%后，彌散相顆粒容易聚集長大，形成連續(xù)的氧化物陶瓷相，在基體中不容易分布均勻，從而導(dǎo)致合金發(fā)生脆性斷裂，抗拉強(qiáng)度下降。

表1 不同Y2O3彌散相含量的彌散強(qiáng)化鐵合金力學(xué)性能

圖1為不含Y2O3的純鐵粉末和w（Y2O3）=1.0%的彌散強(qiáng)化鐵合金粉末經(jīng)過SPS燒結(jié)后的微觀組織照片。從圖1中可以看出，兩種成分的材料經(jīng)過SPS后均已比較致密，沒有觀察到明顯的孔隙，其中純鐵晶粒尺寸約為60 μm，w（Y2O3）=1.0%的彌散強(qiáng)化鐵合金晶粒尺寸在10～20 μm，與純鐵相比彌散強(qiáng)化鐵合金晶粒尺寸明顯更細(xì)小，而且比較均勻。這是因?yàn)殍F基體是一種單相組織，在燒結(jié)保溫階段容易長大，未添加Y2O3時(shí)，試樣的平均粒徑比較大，而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Y2O3以后，彌散相Y2O3粒子為表面活性物質(zhì)，在燒結(jié)致密化過程中易被吸附于晶粒表面，從而可以有效降低表面能，減小晶粒長大的驅(qū)動力，并可以釘扎晶界，最終使材料保持細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)。

圖1 相同SPS條件下Fe與Fe-1.0%Y2O3燒結(jié)體顯微組織照片

圖2為w（Y2O3）=1.0%的彌散強(qiáng)化鐵合金基體中彌散相粒子在5萬倍放大倍數(shù)下的形貌與分布特征照片。從圖2中可以看到，細(xì)小彌散相在基體內(nèi)基本均勻彌散分布，平均粒徑約10～20nm，粒子間距50～100 nm，存在極少數(shù)直徑為100～200nm的彌散相顆粒。當(dāng)該尺寸的顆粒在晶粒內(nèi)部分布時(shí)不會對材料造成破壞性作用，在一定程度上具有顆粒強(qiáng)化的效果。

圖2 Fe-1.0%Y2O3SPS燒結(jié)體中彌散相形貌與分布特征

2.2 合金元素Ti含量對彌散強(qiáng)化鐵合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

采用相同的粉末振動球磨工藝、機(jī)械合金化和SPS燒結(jié)，制備了Fe-1.0%Y2O3、Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti和Fe-1.0%Y2O3-2.0%Ti三種樣品，力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出，含Ti樣品的硬度、抗拉強(qiáng)度均得到提高，但延伸率降低，其中w（Ti）=0.8%的強(qiáng)化效果優(yōu)于不含Ti和w（Ti）=2.0%的樣品。對Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti樣品進(jìn)行退火后，硬度與強(qiáng)度均有所下降，延伸率改善明顯。分析認(rèn)為，在Fe-1.0%Y2O3中加入Ti有明顯的強(qiáng)化效果，但加入Ti過量時(shí)會在粉末顆粒邊界形成大尺寸TiO2顆粒，一方面阻礙了燒結(jié)致密化，使得燒結(jié)密度較低，另一方面成為了拉伸斷裂時(shí)的裂紋源。

表2 機(jī)械合金化不同Ti含量SPS樣品力學(xué)性能

圖3和圖4分別是上述Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti樣品退火前和退火后的FE-SEM掃描照片。從低倍組織中可以看出，經(jīng)退火處理的燒結(jié)體中晶粒基本沒有長大，說明彌散相顆粒的存在可以有效抑制晶粒長大；但對高倍照片進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過退火處理后，彌散相顆粒變得更細(xì)小。目前，普遍認(rèn)為Ti對ODS鐵合金中氧化物彌散相的細(xì)化機(jī)制是：當(dāng)有Ti存在時(shí)，在機(jī)械合金化過程中，Y2O3顆粒發(fā)生溶解，并在后續(xù)過程中析出，會形成一種新的Yi-Ti-O復(fù)雜氧化物。而對析出物的研究則表明在不同合金成分和工藝條件下存在多種氧化相。一些研究認(rèn)為，以Y-Ti-O復(fù)雜氧化物的形式析出并且析出的氧化物顆粒的粒徑小于添加的Y2O3的粒徑，當(dāng)O含量較高時(shí)，形成的Y-Ti-O復(fù)雜氧化物為立方Y(jié)2TiO7；當(dāng)O含量不足時(shí)，形成的是六方結(jié)構(gòu)的Y2TiO5［11-13］。

圖3 Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti樣品退火前FE-SEM掃描照片

圖5是Fe-1.0%Y2O3-0.8%TiSPS燒結(jié)和退火后樣品的拉伸斷口的掃描照片。退火前樣品的微觀斷口顯示（圖5-1）存在類似河流花樣的準(zhǔn)解理斷裂平面，樣品經(jīng)過退火后（圖5-2）存在有小而淺的韌窩，其底部存在有第二相質(zhì)點(diǎn)，可見經(jīng)過退火后材料由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，延伸性明顯改善。

圖4 Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti樣品退火后FE-SEM掃描照片

圖5 機(jī)械合金化Fe-1.0%Y2O3-0.8%TiSPS樣品拉伸斷口形貌照片

3 結(jié)論

1）彌散相的含量是影響強(qiáng)化效果的重要因素之一。當(dāng)w（Y2O3）＜1.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著Y2O3含量的增加而增加；但當(dāng)w（Y2O3）＞1.0%后，增加Y2O3的含量，抗拉強(qiáng)度反而下降，因此通過水熱法制備ODS鐵合金的Y2O3最佳含量為w（Y2O3）=1.0%。

2）采用水熱合成的Fe-1.0%Y2O3粉末經(jīng)過放電等離子燒結(jié)后樣品的相對密度可達(dá)到96%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到536 MPa，與采用同樣方法制備的純鐵樣品相比抗拉強(qiáng)度提高了近1倍。其中彌散相Y2O3粒子在基體上均勻彌散分布，顆粒的平均粒徑約10～20 nm，粒子間距在50～100 nm之間，基本滿足彌散強(qiáng)化對彌散相顆粒尺寸和分布的要求。

3）通過機(jī)械合金化的工藝向水熱合成Fe-1.0%Y2O3粉末中添加不同含量的合金元素Ti，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的合金元素Ti時(shí)，SPS后樣品抗拉強(qiáng)度達(dá)到713 MPa，延伸率為0，樣品經(jīng)過退火后抗拉強(qiáng)度降低至677 MPa，延伸率增加到6.2%。

［1］ BENJAMINJ S.Dispersion strengthened super alloys bymechanical alloying［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，1970，1（10）：2 943.

［2］ YAO X X，KIM H，CHOI J.Development of high strength nickel-base cast superalloy with superior creep rupture life［J］. Scripta Materialia，1996，35（8）：953.

［3］ LI M，ZHOU Z J，HE P.Microstructure and mechanical property of 12Cr oxide dispersion strengthened ferritic steel for fusion application［J］.FusionEngineeringandDesign，2010，85（7/8/9）：1573.

［4］ SINGH R，SCHNEIBEL J H，DIVINSKI S，et al.Grain boundary diffusion of Fe in ultrafine-grained nanocluster strengthened ferritic steel［J］.Acta Materilia，2011，59（4）：1 346.

［5］ MOHAMED S E，JEAN MT.A reviewof refractory metal alloys and mechanically alloyed-oxide dispersion strengthened steels for space nuclear power systems［J］.Journal of Nuclear Materials，2005，340（1）：93.

［6］ DOUA P，KIMURAA A，OKUDAB T，et al.Effects of extrusion temperature on the nano-mesoscopic structure and mechanical properties of an Al-alloyed high-Cr ODS ferritic steel［J］.Journal of Nuclear Materials，2011，417（1/2/3）：166.

［7］ AKINLADE D A，CALEY W F，RICHARD N L，et al.Development of a PM nickel-base superalloy［J］.International Journal of Powder Metallurgy，2006，42（4）：43.

［8］ HAN R J，LI W，CHEN K Z，et al.Photoluminescence properties of Y3Al5O12：Eu nanocrystallites prepared by co-precipitation method using a mixed precipitator of NH4HCO3and NH3H2O［J］.Materials Science and Engineering B:Solid-State Materials for Advanced Technology，2010，166（1）：41.

［9］ 張全爭，何明贊，方良軍，等.水熱法制備超細(xì)α-Fe2O3粉體［J］.合成化學(xué)，2009，17（4）：495.

ZHANG Z Q，HE M Z，F(xiàn)ANG L J，et al.Preparation of α-Fe2O Micropowder by Hydrothermal Method ［J］.Chinese Journal of Synthetic Chemistry，2009，17（4）：495.

［10］ AKASAKAN，YAMASHITAS，YOSHITAKET，etal.Microstructural changesofneutron irradiated ODSferritic and martensitic steels［J］. JournalofNuclearMaterials，2004，329/333（1/2/3）：1 053.

［11］ SCHBEIBEL J H，LIU C T，HOELZER D T，et al.Development of porosityinanoxidedispersion-strengthenedferriticalloycontaining nanoscaleoxideparticles［J］.ScriptaMaterialia，2007，57（11）：1040.

［12］ 陳文婷，熊惟皓，張修海.化釔的含量和燒結(jié)溫度對ODS鎳基合金性能的影響［J］.金屬材料與工程，2010，39（1）：112.

CHEN W T，XIONG W H，Zhang X H.Effect of Y2O3content and sinteringtemperatureonmechanicalpropertiesofODSnickel-Based superalloy［J］.RareMetalMaterialsandEngineering，2010，39（1）：112.

［13］ RATTI M，LEUVREYD，MATHONMH，et al.Inuence oftitanium on nano-cluster（Y，Ti，O）stabilityin ODS ferritic materials［J］. Journal ofNuclear Materials，2009，386/387/388（C）：540.

［14］ LEE J H.Development of oxide dispersion strengthened ferritic steels with and without aluminum［J］.Front Energy，2012，6（1）：29.

［15］ OHNUMAM，SUZUKI J，OHTSUKAS，et al.Anewmethod for the quantitative analysis of the scale and composition of nanosized oxide in 9Cr-ODSsteel［J］.Acta Materialia，2009，57（18）：5 571.

［16］ WEN Y R，LIUA Y，HIRATAB A，et al.Innovative processing of high-strength and low-cost ferritic steels strengthened by Y-Ti-O nanoclusters［J］.Materials Science and Engineering，2011，A544：59.

（編輯：胡玉香）

Influence of Y2O3and Ti Content on the Structure and Performance of ODS Iron Alloy

Zhao Yuzhen，Wang Lixin，Shen Yi
（Taiyuan Iron and Steel（Group）Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

Oxide Dispersion Strengthened（ODS）iron alloy powder with different Y2O3contents is manufactured using hydrothermal method.Through mechanical alloying，Ti（alloying element）with varied mass fractions（0%，0.8%，and 2%）is added to the ODS iron alloy powder.Then the ODS iron alloy is manufactured using spark plasma sintering（SPS）technology.Scanning electron microscopy（SEM）and electron tensile testing machine are used to observe and test the samples.The effects of Y2O3and Ti contents on microstructure and mechanical property are determined.Results show that without Ti，when the dispersed phase Y2O3content is 1%，the ODS iron alloy achieves its optimum mechanical property，with 537 MPa tensile strength.After adding 0.8%Ti，the dispersed phase particles is significantly refined，and the tensile strength and hardness are significantly increased，with the tensile strength reaching 710 MPa.

oxide dispersion strengthened（ODS），hydrothermal synthesis，spark plasma sintering（SPS），mechanical properties

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.05

TG141

A

1672-1152（2015）06-0012-04

2015-11-04

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（課題編號：2012BAE04B01）

趙昱臻（1970—），碩士，從事鋼鐵材料的研究工作，高級工程師。E-mail：zhaoyz@tisco.com.cn