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“铼与高温合金”系列八《添加铼对氧化物弥散强化铁素体钢组织和力学性能的影响》

“铼与高温合金”系列八《添加铼对氧化物弥散强化铁素体钢组织和力学性能的影响》

分类：应用手艺
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宣布时间：2023-09-05
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【提要形貌】为了研究添加铼对15Cr-1Mo铁素体钢组织和力学性能的影响，该实验接纳机械合金化、热等静压和热轧三种工艺制备了添加铼的15Cr-1Mo铁素体钢。实验预估，在微观结构视察中，晶粒形貌和纳米氧化物漫衍差别不显著。然而，含0.5% wt.%铼的氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢在高温下的拉伸和蠕变强度高于不含铼的钢。效果批注，铼对提高质料的力学性能有很好的效果。

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“铼与高温合金”系列八《添加铼对氧化物弥散强化铁素体钢组织和力学性能的影响》

【提要形貌】为了研究添加铼对15Cr-1Mo铁素体钢组织和力学性能的影响，该实验接纳机械合金化、热等静压和热轧三种工艺制备了添加铼的15Cr-1Mo铁素体钢。实验预估，在微观结构视察中，晶粒形貌和纳米氧化物漫衍差别不显著。然而，含0.5% wt.%铼的氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢在高温下的拉伸和蠕变强度高于不含铼的钢。效果批注，铼对提高质料的力学性能有很好的效果。

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为了研究添加铼对15Cr-1Mo铁素体钢组织和力学性能的影响，该实验接纳机械合金化、热等静压和热轧三种工艺制备了添加铼的15Cr-1Mo铁素体钢。实验预估，在微观结构视察中，晶粒形貌和纳米氧化物漫衍差别不显著。然而，含0.5% wt.%铼的氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢在高温下的拉伸和蠕变强度高于不含铼的钢。效果批注，铼对提高质料的力学性能有很好的效果。

1、先容

ODS铁素体钢是最适适用于先进核部件的结构质料之一，漫衍匀称的高密度纳米氧化物颗粒使其具有优异的蠕变和耐辐照性能。ODS铁素体钢的奇异组织通常取决于合金因素，一样平常由Cr、W、Ti和Y2O3组成。当铬的含量凌驾12%wt时，ODS铁素体钢的外貌会形成一层薄薄的钝化氧化膜，在种种冷却剂中具有优异的兼容性和耐侵蚀性。钛是ODS钢中必不可少的合金元素，由于在热退火历程中，钛与基体中高密度的Y2O3团结形成极细的Y-Ti-O富集颗粒，而ODS铁素体钢最主要的强化机制即是细小的Y-Ti-O颗粒与高密度位错之间相互作用，从而促使ODS铁素体钢在高温下体现出优异的拉伸和蠕变强度。钨和钼也是十分有用的固溶强化元素，可以改善高温下的机械性能。然而，过量的添加会导致在恒久使用历程中形成脆性的Fe2(W, Mo)，称为拉维斯相，导致力学性能变差。

该实验研究了添加铼对ODS铁素体钢组织和力学性能的影响，接纳机械合金化、热等静压和热轧工艺制备了ODS铁素体钢，并举行了拉伸试验和蠕变断裂试验，以测试ODS铁素体钢的高温性能。

2、实验

该实验接纳的化学因素为ODS铁素体钢Fe(余量bal.)- 15Cr-1Mo (wt.%)，少量合金元素包括Ti、Zr、Y和O。由于Cr含量高于12wt.%，而C含量低于0.05wt.%，铁素体相完全稳固，甚至抵达熔点，因此在制造历程和热处置惩罚历程中不会爆发任何特另外强化效果。在ODS铁素体钢中划分添加0 wt.%、0.1wt.%和0.5 wt.%的铼，将铼含量差别的ODS铁素体钢划分命名为R0-、R1-和R2-ODS钢。实验接纳机械合金化(MA)、热等静压(HIP)和热轧(HR)工艺制备ODS铁素体钢。用卧式球磨机在高纯氩气中对金属质料粉末和Y2O3举行了40 小时的机械合金化。球粉重量比为10:1。合金粉末经由机械合金化处置惩罚后，装入不锈钢胶囊中。将胶囊脱气并在400°C、5×10-3 托的真空水平下密封3小时。在1150°C下，举行三小时热等静压，加热速率为5°C/min，然后举行炉膛冷却。ODS钢通过热等静压后，在1150°C下按牢靠轧制偏向举行热轧，最终厚度镌汰70%。最后，将ODS铁素体钢板在1150°C下退火1小时，并在空气中冷却以消除剩余应力。ODS铁素体钢的化学因素见表1。研究接纳电感耦合等离子体发射光谱法和惰性气体熔正当剖析了ODS铁素体钢的化学因素和氧含量。

	Fe	Cr	Mo	Ti	Zr	Re	Y	O	Y2O3
R0	余量	14.88	0.90	0.12	0.24	-	0.26	0.19	0.33
R1	余量	14.70	0.93	0.09	0.26	0.11	0.27	0.19	0.34
R2	余量	15.10	0.91	0.10	0.25	0.48	0.26	0.20	0.33

表1 ODS铁素体钢的化学因素(wt.%)

实验接纳场发射扫描电镜(FE-SEM)和场发射透射电镜(FE-TEM)视察晶粒和析出相的形貌。ODS铁素体钢在5% HClO4 + 95%甲醇(体积%)溶液中举行抛光和电子抛光，电压为 18 V，电流为 0.5 mA，温度为 -50°C，以去除机械抛光引起的加工硬化外貌。为了视察析出相的漫衍，接纳双射流抛光法制备薄样品，以便在 FE-TEM 中举行视察。实验接纳电火花加工要领，在轧制偏向取试样检测力学性能，接纳板材式拉伸试样，规长25.4 mm，宽3.7 mm，厚1 mm。拉伸试验在室温顺700℃空气中举行，应变速率为1×10-3 s-1。在700℃的空气中，以150、200 MPa的压强举行了蠕变断裂试验。

3、实验效果及讨论

差别Re含量ODS铁素体钢晶粒形貌的SEM图像如图1所示。通过FE-SEM的背散射二次电子图像模式，可以清晰地区分出ODS铁素体钢的晶粒形态。在HIP历程的某一阶段可能会形成再结晶和等轴的微晶，在1150°C的热轧历程中，由于微晶向平行于水平偏向的热轧偏向拉长，似乎爆发了二次再结晶，但其长径比并不像图1所示的那么高。合金的晶粒漫衍匀称，晶粒尺寸为1~2 μm。在0 ~ 0.5 wt.%的铼含量规模内，15Cr-1Mo ODS铁素体钢的晶粒形貌没有显着差别。

图1 (a) 0wt.% Re， (b) 0.1wt.% Re， (c) 0.5 wt.% Re时ODS铁素体钢的晶粒形貌

为了研究铼添加对ODS铁素体钢纳米氧化物颗粒漫衍的影响，实验接纳了透射电镜来视察爆发的影响。图2显示了差别Re含量ODS钢的明场像，(a) 0 wt.% Re，(b) 0.5 wt.% Re。R0-和R2-ODS钢在笔直于轧制偏向平面上的平均截距晶粒直径划分为1.13 um和1.06 um。超细纳米氧化物颗粒在所有ODS铁素体钢中漫衍相当匀称�；赥EM视察，对纳米氧化物粒径漫衍、平均粒径和数密度的图像剖析效果如图3所示。未添加Re的R0-ODS钢中保存直径大于10 nm的氧化物颗粒，但比例很小，而R2-ODS钢中普遍漫衍着直径小于10 nm的超细氧化物颗粒。不过，平均粒径和数目密度的差别并不大，R0-ODS 钢的平均粒径和数目密度划分为 6.07 nm、3.46 ×1022 m-3，R2-ODS 钢的平均粒径和数目密度划分为 5.36 nm、2.96 ×1022 m-3。有研究报道，在含有少量合金元素的ODS钢中，如Ti、Zr和Y2O3，氧化物颗粒析出为特定的氧化物，即Y2Zr2O7和Y2TiO5，它们是在固结历程中由Y、O和Ti或Zr团结形成的。只管在R2-ODS钢中添加了0.5 wt.%的Re，但沉淀和纳米氧化物颗粒上没有添加Re的痕迹。与FE-SEM视察效果相似，在差别的Re含量下，微观晶粒形貌和纳米氧化物颗粒漫衍没有差别。由此推断，Re完全固溶在Fe-Cr合金基体中，不影响15Cr-1Mo ODS铁素体钢的显微组织。

图2 差别Re含量的ODS钢的明场像，(a) 0 wt.% Re，(b) 0.5 wt.% Re

图3 差别Re含量ODS钢的纳米氧化物颗粒漫衍，(a) 0 wt.% Re， (b) 0.5 wt.% Re

实验对差别Re含量的ODS铁素体钢举行了室温顺700℃的拉伸试验。效果如图4所示。未添加Re的R0-ODS钢的抗拉强度高于添加Re的R1-和R2-ODS钢。随着Re含量的增添，总伸长率转变不大，如图4(a)所示。较低的屈服强度和足够的室温伸长率被以为是很是有利的，由于它更有利于在冷轧、拉拔、顶柱等塑性加工历程中制造结构件。而在700℃时，ODS铁素体钢的Re含量显著影响其抗拉强度。

图4 差别Re含量ODS铁素体钢的拉伸试验效果

随着铼含量的增添，ODS铁素体钢的抗拉强度增大。添加Re的ODS钢具有较高的屈服强度，0.1% wt% Re时为302 MPa, 0.5% wt.% Re时为331 MPa。与此相比，不添加Re的ODS铁素体钢的屈服强度显着较低，为263 MPa。在高温下，ODS铁素体钢的总延伸率随Re含量的转变与拉伸强度的转变有很大的差别，但总延伸率随Re含量的转变的差别很小。在700℃下也举行了蠕变破碎试验，效果以对数标度绘制在图 5 中。虽然微观结构剖析没有显着差别，但添加Re的ODS铁素体钢的抗蠕变性能高于不添加Re的ODS铁素体钢，这也与上述抗拉强度的效果相吻合。众所周知，在许多高温合金中，铼是改善高温性能的一定元素。这通常在抑制固溶体元素(如W、Mo和Co)的扩散方面起着主要作用。在高温下，添加3~ 6wt .% Re的Ni合金比通例超等合金具有更高的抗蠕变性能。在本研究中，还可以假设在ODS铁素体钢中添加Re与在高温合金中添加Re具有类似的效果。

图5 差别Re含量ODS铁素体钢蠕变断裂试验效果

4、结论

该研究接纳机械合金化(MA)、热等静压(HIP)和热轧(HR)工艺制备了Re添加量划分为0、0.1和0.5 wt.%的15Cr-1Mo ODS铁素体钢，研究了其显微组织和力学性能。晶粒形貌和纳米氧化物颗粒漫衍无显著差别。然而，添加Re的ODS铁素体钢在高温下的拉伸和蠕变强度高于未添加Re的ODS铁素体钢。因此，可以以为Re是改善ODS铁素体钢在高温下力学性能的很是有用的合金元素。

注：

本文翻译自EFFECT OF RHENIUM ADDITION ON MICROSTRUCTURES AND MECHANICAL PROPERTIES OF OXIDE DISPERSION STRENGTHENED FERRTIC STEELS一文

原文作者：SANGHOON NOH1*, SUK HOON KANG1, TAE KYU KIM

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