化学浸润法氧化物弥散强化铁素体合金的静态再结晶

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.04.028 第19卷第4期 北京科技大学学报 Vol.19 No.4 1997年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1997 化学浸润法氧化物弥散强化 铁素体合金的静态再结晶 彭顺米吴承建胡本芙章守华 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了用化学浸润法(CS)进行氧化物弥散强化(ODS)的铁素体合金形变后在退火过程 中的组织变化.结果表明：合金的再结晶温度在750~780℃之间；形变量高的合金退火后能获得 细小均匀的晶粒；弥散相能有效钉扎初次再结晶完成后晶粒尺寸在临界尺寸D以下的晶界；苏 散强化相Y,T,O在形变和退火过程中是稳定的. 关键词弥散强化，铁素体合金，再结晶 中图分类号TG111.7 ODS铁素体合金具有高强度低肿胀抗腐蚀等优点，正被考虑用作核反应堆芯部包壳材 料.与传统的机械合金化法(MA)进行氧化物弥散强化不同，胡本芙、吴承建等人研究了用 CS法对ODS铁元素进行氧化物弥散强化，获得了优良的力学和抗肿胀性能.本文研究了 CS法制造的ODS铁素体合金的静态再结晶组织变化，以期为该材料的生产工艺优化和推广 使用提供实验数据， 实验方法 用氮气雾化制得的250目以上的Fe-12.5Cr-2.5W-0.1T细粉用按Y,0,的当量配比 为0.4%的硝酸钇溶液浸润，在氢气保护下热分解得到Y,0,在1200℃热等静压后再锻造 和热轧成厚度不同的薄板，并在950℃高温退火2h. 将用上述方法制成的薄板冷轧成1mm厚的薄片，形变量分别20%，40%，60%和80%. 形变后的材料在640~850℃的不同温度保温10~320min的不同时间. 金相及扫描电镜样品的观察面垂直于轧面，平行于轧向，侵蚀剂为盐酸(H©)：硝酸 (HNO):丙三醇(C,H,O,)=3:1:3(体积比)，TEM样品用离子减薄穿孔.再结晶体积分数用点分 析法，晶粒尺寸用平均截线法测量，置信限为均值的5%，置信度为95%.氧化物颗粒及再结 晶完成前晶粒的尺寸用来测量单个粒子的等效平均直径，再计算所有测量粒子的平均直径， 测量粒子数应满足在置信限为均值的10%时，置信度为90%. 1996-06-28收稿 第一作者男27岁博士

第 19卷 第 4期 19 97年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s i t y o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 19 N o 一 4 A u g . 1 9 7 化学浸润 法氧化物弥散强 化 铁素体合金 的静态再结 晶 彭顺 米 吴承建 胡本芙 章守华 北京科技大学材料科学与 工 程学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 研究 了用化学浸润法 ( C )S 进 行氧化物 弥散强化 (O眺) 的铁素体合 金形变后在退 火过程 中的组织变化 . 结果表明 : 合 金的再结 晶温度 在 75 0 一 7 80 ℃ 之 间; 形 变量 高的合金退火后能获得 细小均匀 的晶粒 ; 弥散相能有效钉 扎初次再结 晶完 成后 晶粒尺寸在临界尺 寸 风 m 以下 的晶界 ; 弥 散强化相 Y Z iT 2 0 , 在形变和 退火过程 中是稳定 的 · 关键词 弥散强化 , 铁素体合金 , 再结 晶 中图分类号 T G I 1 1 . 7 O DS 铁 素体合金具 有 高强度 低肿 胀抗 腐蚀 等优 点川 , 正被 考虑 用作 核反 应堆 芯部包 壳材 料 . 与传 统 的机 械 合金 化 法 ( M A ) 进行 氧 化 物弥 散 强化 l2] 不 同 , 胡本 芙 、 吴 承建 等 人研 究 了 用 C S 法 对 O sD 铁元 素 进行 氧 化 物 弥散 强化 3[] , 获 得 了 优 良的力 学和 抗 肿 胀性 能 本 文研 究 了 C S 法 制造 的 O D S 铁素体合金 的静 态再 结 晶组织 变化 , 以 期 为该材 料 的生产 工艺 优 化和推 广 使用 提供实验 数 据 . 1 实验方 法 用 氮气 雾化 制得 的 2 50 目以 上的 eF 一 12 · S C r 一 .2 5w 一 .0 I iT 细粉 用 按 Y 2 0 , 的 当量 配 比 为 .0 4 % 的硝 酸忆 溶 液浸 润 , 在 氢气 保 护下 热分 解 得到 Y ZO 。 · 在 1 2 0 ℃ 热等 静压 后再 锻造 和 热轧 成厚 度 不 同的薄板 , 并 在 9 50 ℃ 高温退 火 Z h . 将用上 述 方法制 成 的薄板 冷 轧成 1 m m 厚 的薄 片 , 形变量 分别2 0 % , 4 0 % , 60 % 和 80 % . 形 变后 的材 料 在 6 4 0 一 85 0 ℃ 的不 同温度 保温 10 一 3 2 0 而 n 的不 同时间 . 金 相 及 扫 描 电 镜样 品 的观 察面 垂 直 于 轧 面 , 平 行 于 轧 向 , 侵 蚀 剂 为 盐 酸 ( H a :) 硝 酸 ( H N O 少丙 三 醇 ( C 3珠 0 3 ) 一:3 卜 3( 体积 比) , T E M 样 品用 离子减 薄 穿孔 · 再 结 晶体积分 数用 点分 析法 , 晶粒 尺寸 用 平均 截线 法 测量 , 置 信 限 为均值 的 5 % , 置信 度 为 95 % . 氧化 物颗 粒及 再结 晶完 成 前 晶粒 的 尺寸 用来 测 量 单个 粒 子 的等效 平 均直 径 , 再计 算所有 测量 粒 子 的平 均直径 , 测量 粒 子数 应满 足在 置信 限为 均值 的 10 % 时 , 置信度 为 90 % . 19 9 6 一 0 6 一 2 8 收稿 第一作者 男 27 岁 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 04. 028

Vol.19 No.4 彭顺米等：化学漫润法氧化物弥散强化铁素体合金的静态再结品 ·347· 2 实验结果 2.1弥散相分析及冷轧觞后的组织 弥散相的尺寸主要集中在50~300nm,平均为120m,体积分数约为0.7%，颗粒间距 为5μm.大量透射电镜分析表明，弥散相主要为Y,0,·2T02即Y,,0,同时也有少量 T0,和Y0· 合金冷轧前、冷轧后的金相形貌如图1所示， =40% =80% 20 um 20 jm 20 Hm 图1合金经冷轧40%，阳%前后的组织 a.b为渣轧前：c,d为液轧后 形变量不同，冷轧前的组织也是不同的，形变量越大，冷轧前的晶粒越粗.冷轧20%， 40%,60%和80%之前的晶粒平均尺寸分别为12,14,17,19μm,这是由于热轧时的形变量 不同所造成的.4种形变量冷轧前晶粒大小的均方差分别为4,5,7.9um,反映出晶粒尺寸极 不均匀. 冷轧后形变量低时还能识别出少量沿轧向拉长的晶粒，但形变量达到80%后、，几乎识别 不出晶粒.随著形变量的增加，还出现了少量沿着轧向分布的成串氧化物.同时，应该注意到 氧化物相并未变形，测量和分析表明，氧化物的尺寸未变，即氧化物在形变过程中是稳定的. 2.2退火过程中组织变化 ()显微组织变化， 在退火过程中典型金相组织变化如图2所示.形变80%后在700℃保温10mi即发生 明显的再结晶，随着时间的延长晶粒长大，但保温160min后仍不能完成再结晶.而在790℃

·348· 北京科技大学学报 1997年第4期 保温10min后已基本完成再结晶，随着时间的延长，晶粒长大不明显， 形变40%后在790℃保温10min再结晶也接近完成，但晶粒要比形变80%时对应状态 的晶粒粗.同时，随着保温时间的延长，发生了明显的晶粒长大，晶粒形状也明显偏离等轴， 跻散相衍射花样分析表明，所有退火温度下均有Y,,0,存在，可以认为Y,T,0,是稳定 的。 e=80% e-80% c-80% 20 um 204m 20 um 8-700℃ 8-790℃ 0-790℃ 图2遇火过程中金相组织的变化，仔一退火湿度，1一保时间，￡一形变量 (2)冉结品动力学 初次再结晶时再结晶体积分数〔)的变化如图3所示. 100 100 790℃ 760℃ 790℃ 80 80 80叶 760℃ 60 60 60 40 404 40 700℃ 700r 20} 20 ( 0 ( (c) 16326412w256 8163264128256 640680720760800840 退火时间/mun 退火时间/mn 语火福度/℃ 田3再结露体积分效仰与形变量、退火温度和保温时间的关系 (a)e=40%:b)e-80%:(1,2.3.4的e分别为20%.40%.60%.80% 所有形变量下在T00℃保温即能有效地开始再结晶过程，退火温度的适当升高能显著加 速再结晶的进行，如在790℃保温10min后初次再结晶均已接近完成.由于700℃退火时再 结晶较慢，而在790℃退火时再结晶太快，形变量的变化在700℃和790℃时看不出对再结晶

Vol.19 No.4 彭顺米等：化学浸润法氧化物弥散强化铁素体合金的静态再结晶 ·349* 动力学的影响.但在760℃退火时，形变量越高，再结晶进行得越快 由于工程上以保温1h后再结晶完成95%所对应的温度为再结晶温度，由图3(c)可以得 出：所有形变量下的再结晶温度均在750~780℃之间. (③)再结晶晶粒长大， 这里所指的再结晶晶粒长大既包括再结晶初期再结晶晶核的长大，也包括初次再结晶完 成后晶粒的粗化.图2已给出了晶粒长大的显微组织，测量结果如图4所示. 50 (a) 50 (b) 40F 0一760℃ ●-820℃e=40% 40 。-760℃ ·-850℃ 。-820℃e=80% 30F 4-850℃ 30 20 20 10F o 01 0 8163264128256 8163264128256 /min t/min 图4再结晶平均晶直径(d)变化 对于较低的形变量，无论在初次再结晶完成前还是完成后均存在明显的晶粒长大，且温 度越高，晶粒将长得越大.而当形变量升高时，晶粒尺寸将较快的趋向于一稳定值(10μ左 右)，并且温度的影响也将减弱. 80%形变合金高温退火后得到的晶粒细小（约8μm),接近等轴，且晶粒尺寸均方差仅 为1.5μm,显示出很好的组织均匀性.而40%形变合金在820℃长时间退火后将得到非等轴 的粗大晶粒（约20μm),且晶粒尺寸均方差高达10山m,晶粒大小很不均匀. 3 讨论 3.1晶粒尺寸控制 当弥散相的体积分数为∫，半径为r时，正常晶粒长大的极限尺寸Rm=2r/3本实验 中r=60nm,f=0.7%,R约为5.7μm,即晶粒极限平均尺寸Dm应为11.4μm左右.而本实 验结果表明，只有当形变量很大时平均晶粒尺寸才不会超过Dm,而当形变量很小平均晶粒 尺寸将大于Dm·这是由于Dm得出的前提条件是界面能的降低是再结晶完成后晶粒长大的 唯一驱动力，且仅仅针对于初次再结晶完成后的晶粒长大.当已再结晶晶粒尺寸达到D。时 再结晶仍未完成，则由于储存变形能的降低仍是晶粒长大的主要驱动力，晶粒仍能长大，以致 于达到大于Dn的水平. 再结晶完成后超过D的晶粒仍能长大则与周围晶粒的取向有关.这一点可从粗大晶粒 一般不是等轴晶得到反映.因并非大晶粒周围的所有晶粒取向都对大晶粒长大有利.晶粒尺 寸越大，择优长大的可能性越大 而仔细观察图2中形变量为80%合金退火后组织可以发现晶粒尺寸在D附近的晶界 处均有一定数量的弥散相，而偏离D较远的晶粒的晶界处则很难找到弥散相.这既表明晶

f o v . 9 1 o N 彭顺米等 4 . 化学浸润法氧化物弥散强 化铁素体合金的静态再结晶 : . 3 9 4 . 动力 学的影 响 . 但 在 ℃ 退 火 时 0 7 6 , 形变 量越 高 , 再结 晶进 行得越 快 . 由于工 程上 以 保 温 hl 后 再结 晶完 成 95 % 所 对应 的 温度 为再结 晶温 度 , 由图 3 (c) 可 以 得 出二所有 形变 量下 的再结晶温度 均 在 75 0 一 7 80 ℃ 之 间 . ( 3) 再 结晶 晶粒 长 大 . 这 里所 指 的再结 晶 晶粒长大 既包 括再结 晶初期再结 晶 晶核 的长大 , 也包 括初 次再结 晶完 成后 晶粒 的粗化 . 图 2 已 给 出了晶粒 长大 的 显微组 织 , 测量 结果 如 图 4 所示 . (a) o 一7 60 ,C 5 0 ! (的 . 一82 0℃ ￡ =4 0 % . 一85 0℃ n à, , 日二 龟 2 0 4 0 r o 一7 6 0 亡 l 卜 8 2 0 ℃ : = 8 0 % _ _ 1 . 一 8 50 亡 日 j U r 二 l 龟 l , o }沪亦司声 1 6 3 2 6 4 12 8 2 56 16 3 2 6 4一1 2 8 2 5 6 图 4 再结晶平均晶直径 (刃变化 对 于较 低 的形 变 量 , 无论 在 初次 再 结 晶完成 前 还是 完成 后 均存 在 明显 的 晶粒 长大 , 且 温 度 越 高 , 晶 粒将 长 得 越大 . 而 当形 变 量 升高 时 , 晶 粒尺 寸 将较 快 的趋 向于一 稳 定值 ( 10 “ m 左 右 ) , 并且 温度 的影 响也 将减弱 . 80 % 形 变合 金 高温 退 火后 得 到 的 晶粒 细小 ( 约 8 卜m ) , 接近 等轴 , 且 晶 粒 尺寸 均方 差 仅 为 1 . 5 “ m , 显示 出很 好 的组织 均匀 性 . 而 40 % 形 变合 金在 8 20 ℃ 长时 间退火 后将得到 非等 轴 的粗大 晶粒 ( 约 20 协m ) , 且 晶粒 尺寸均 方差 高达 10 卜m , 晶粒 大小 很不 均匀 . 3 讨论 3 . 1 晶粒尺寸控制 当弥散相 的体积 分数 为 f, 半 径 为 ; 时 , 正 常 晶粒长 大 的极 限尺寸 凡 。 一 2r / 3f ’[] . 本实 验 中 r 一 60 nm ,f 一 .0 7 0,/ 凡 m约为 5 . 7 o m , 即晶粒 极 限平均 尺寸 线 m应 为 1 4 o m 左右 . 而本实 验结果表 明 , 只 有当形变 量 很大 时 平均 晶粒 尺 寸才不 会超过 凭 。 , 而 当形 变量 很小 平均 晶粒 尺寸 将 大 于 线 m · 这 是 由于 线 m 得 出 的前 提条 件 是界 面能 的 降低 是再 结 晶 完成 后 晶粒 长 大 的 唯 一驱 动力 , 且 仅仅针 对于 初次再 结 晶完成 后 的晶 粒 长大 . 当已 再结 晶 晶粒 尺寸 达到 风 。 时 再 结 晶仍未完 成 , 则 由于储 存变 形能 的 降低仍 是 晶粒 长大 的主 要驱 动力 , 晶粒 仍能 长大 , 以 致 于 达 到大 于几 i m 的水 平 . 再 结 晶完成 后超 过 凭 m 的晶粒 仍能 长大则 与 周 围晶粒 的取 向有关 . 这 一点 可从粗 大 晶粒 一般 不 是 等轴 晶得 到 反 映 . 因并 非大 晶粒 周 围 的所 有 晶粒 取 向都 对大 晶 粒长 大有 利 . 晶粒 尺 寸越 大 , 择优 长大 的可能 性越 大 . 而 仔细观 察 图 2 中形 变 量为 80 % 合金 退火 后组 织 可 以 发现 晶粒 尺 寸在 坑 m 附近 的晶 界 处均 有 一 定数 量 的 弥散 相 , 而 偏 离 风 m 较远 的 晶粒 的晶 界处则 很难 找 到 弥散 相 . 这 既 表 明 晶

·350· 北京科技大学学报 1997年第4期 粒尺寸不均匀性与氧化物的不均匀分布有关，也表明弥散相对晶界仍有极强的钉扎作用.因 此，把初次再结晶过程中每个再结晶晶粒的尺寸都控制在D以下是使最终的平均晶粒尺寸 小于Dm的关键. 退火温度的升高和形变量的增大均有利于再结晶形核率的增加，形核率高到当这些晶核 长大至相互碰撞时（即初次再结晶完成），它们的尺寸均在D以下，随后的长大将受到弥散 相的有效钉扎，因而可获得细小均匀的再结晶晶粒， 本实验中形变量越大，未冷轧前的晶粒越粗，而退火后的晶粒尺寸越小，表明形变量的控 制是本实验中控制晶粒尺寸的尤为重要环节， 4 结论 (I)弥散相主要是Y,T,O,相，它在形变及退火过程中是稳定的； (2)合金的再结晶温度为750~780℃； (3)形变量对退火组织影响显著，冷轧80%后退火能获得8μm的细小均匀晶粒； (4)弥散相能有效钉扎的尺寸在Dm以下的晶界. 参考文献 1 Klueh R L,Ehrlich K,Abe F.Ferritic/Martensitic Steels:Promises and problems.J Nucl Mater,1992, 191~194:116 2 Ukai S,Harada M,Okada H,et al.Tube Manufacturing and Mechanical Properties of Oxide Dispersion Strengthened Ferritic Steel.J Nucl Mater,1993,204:74 3 HU Benfu,WU Chengjian,Takahashi H.Investigation on the Irradiation Damage Behavior of a Novelty Oxide Dispersion Strengthed Ferritic Steel(ODS steel).In:Kohynama A,eds.Materials for Advanced Energy Systems Fission and Fusion Engineering '94,JC STEA 7series Symposium. Tokyo:the Japanese Society of Materials for Advanced Energy Systems,194.302 4毛卫民，赵新兵.金属的再结晶及品粒长大.北京：冶金工业出版社，1994 Static Recrystalization of Chemical Socking Oxide Dispersion Strengthened Ferritic Steels Peng Shunmi Wu Chengjian Hu Benfu Zhang Shouhu Material Science and Engineering School.UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Recrystalization of the dispersion strengthened ferritic steels,which was manufacted through chemical socking,was systematically studied.It was found that the recrystalization temperatures varied from 750 to 780 C,fine grains could be obtained by annealing after high-level deformation,grain boundaries of the grains with size smaller than limited value could be effectively pinned by dispersoids,and Y,Ti,O,was stable during deformation and annealing. KEY WORDS dispersion strengthen,ferritic steels,recrystalization

· 5 0 3 · 9 9 7 1 北 京 4科 技 大 学 学 报 年 第 期 粒 尺寸 不 均匀 性 与氧 化 物 的不 均匀 分布有 关 , 也表 明弥 散相 对晶界仍有极 强 的钉 扎作 用 . 因 此 , 把初 次再 结 晶过 程 中每 个再结 晶晶粒 的尺寸 都控 制 在 线 m 以 下 是使最终 的平 均晶粒 尺 寸 小于 只 i m 的关键 · 退火 温度 的升高 和形 变量 的增 大均 有利 于再 结 晶形 核率的增 加 , 形 核率 高到 当这些晶 核 长大 至相 互 碰撞 时 ( 即 初 次再结 晶完 成 ) , 它 们 的尺 寸 均在 线 。 以 下 , 随后 的长 大将受 到弥 散 相 的有效 钉 扎 , 因而 可获得 细小 均匀 的再结 晶晶粒 . 本 实验 中形 变量 越大 , 未冷 轧 前 的晶粒 越粗 , 而退 火 后 的晶粒尺寸 越小 , 表 明形变量 的控 制是 本 实验 中控 制晶 粒尺 寸 的尤 为重要 环节 . 4 结论 (l )弥散相 主要是 Y Z iT ZO 7 相 , 它在 形变 及退 火过 程 中是 稳 定的 ; (2 )合金 的再 结 晶温度 为 7 50 一 7 80 ℃ ; (3 ) 形变 量 对退 火组织 影 响显著 , 冷 轧 80 % 后退 火 能获得 8 协m 的细小 均匀 晶粒 ; (4 )弥散 相 能有效 钉扎 的尺寸在 线 m 以 下 的晶界 · 参 考 文 献 1 lK ue h R L , E hlr i e h K , A be F . eF m it e / Ma rt e n s iit c S te e l s : P or m i s e s an d Por b l e m s . J N u e l M a te r , 19 9 2 , 1 9 1 ~ 1 94 : 1 1 6 2 kLJ ia S , H a ar d a M , O k a d a H , e t al . T u be M a n u fac t u n n g an d M e c l l a l l i c al P or pe rtj e s o f Ox id e 以s pe sr i o n S’tIe n g ht e n e d eF 币it e S et e l . J N u c l M a et r , 1 9 9 3 , 2 04 : 7 4 3 H u B e l l fu , W u hC e n 自i an , T a kha as hi H . I n v e s it g a it o n o n ht e I ar d i a it o n 众田l a g e B e h a v i o r o f a No v e lyt O x ide 口s pe sr i o n s 吮ng ht e d eF ir it e S et e l (O DS s et e l ) . I n : oK h y n am a A , e ds . M ate ir a l s of r A d v an e e d nE e gr y S y s te m s & R s s i o n an d F us i o n E n g i n e e ir n g ` 9 4 , JC S T E A 7 s e ir e s S y m po s ium . T o k y o : ht e J a P an e s e S oc i e yt o f M a et ir al s fo r A d v anc e d nE e gr y S y s et m s , ; 9 9 4 . 3 0 2 4 毛卫 民 , 赵新兵 . 金 属的再结晶及 晶粒长大 . 北京 : 冶金工业 出版社 , 1 9 94 S t a t i e R e e yr s t a li z a t i o n o f C h e m i e a l S o e k i n g O x i d e D i s P e r s i o n S t r e n g t h e n e d F e r it i c S t e e l s eP n g hS u n m i 瀚 hC e n gj i a n uH eB nfu 及 a n g 从 o u h u M a et ir al S c i e nc e an d E n g i ne e ir n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij ign 1 00 0 8 3 , C h l n a A B ST R A C T eR e ry s at li z a it o n o f ht e d i s pe rs i o n s tre n g ht e n e d fe 雨it e s te e l s , w hi e h w as m a n u fac et d ht or u g h c h e m i e a l s oc ik n g , w as s y s et m a it c a ll y s ut d i e d . It w as fo u n d ht a t ht e er e 卿s alt i z a it o n et m 详 ar ut er s v a ir e d fr o m 7 50 t o 7 8 0 0C , if n e g iar n s c o u l d be o b iat n e d b y an n e al i n g a f te r ih g h 一 l e v e l d e fo mr a it o n , g 俐 n b o u n d a ir e s o f ht e g r ia n s w i ht s i z e s m al l e r ht an liim et d v a lue e o u l d be e fe e it v e l y iP n n e d b y d i s eP sr o i d s , a n d Y Z iT Z 0 7 W as Sat b l e d u ir n g d e fo mr a it o n an d a n n e a li n g . K E Y W O R D S d i s pe sr i o n s etr n g t h e n , fe 币it e s et e l s , er e yr s at li z a it o n