·764· 北京科技大学学报 第36卷 (ferritic/.martensitic,F/M)不锈钢、镍基合金及氧化 (1050℃，3h,空冷)之后再进行回火处理(730℃，1 物弥散强化(oxide dispersion strengthening,ODS) h,空冷). 钢-.近期研究表明，相比奥氏体钢而言，铁素体 通过扫描电子显微镜(SEM/LE0-1450)对原始 钢因具有较低的稳态肿胀率而备受关注，被认为比 雾化粉粉末和机械合金化之后的粉末进行观察和对 奥氏体不锈钢更适宜做反应堆的包壳材料·-.采 比分析；通过透射电子显微镜(TEM/JEOL一JEM)对 用粉末治金方法制备的ODS铁素体钢在高温下仍 12CODS铁素体钢的微观组织进行了观察；使用 具有优异的抗蠕变强度以及很好的抵抗中子辐照脆 电子能谱(EDS/G20)可以对实验样品的某一区域 化的能力而成为了反应堆包壳管的重要候选材 进行成分分析.采用双喷减薄方法制备了透射电镜 料口.ODS钢作为先进反应堆的包壳候选材料在日 试样，双喷侵蚀液由体积分数为10%高氯酸和90% 本、美国、欧盟等核能先进国家已进行了长期深入的 乙醇的混合溶液，仪器电压控制在25V,电流控制在 研究，在我国也得到了越来越多的重视 20~35mA. 对于ODS铁素体钢而言，Cr含量是影响其性能 使用电子万能试验机(WDW)对12Cr-ODS钢 的一个关键因素.因为随着Cr含量的提高，ODS铁 样品的拉伸性能进行测试.通过超声波无损检测仪 素体钢的抗腐蚀能力也会随之增强可.但是，过高 器(MH6)分析材料的杨氏模量等性能 的Cr含量也会对ODS铁素体钢的力学性能产生消 表1机械合金化粉末的化学成分表（质量分数） 极影响.当服役温度为400~500℃时（大约在475℃ Table 1 Nominal composition of ODS pre-alloyed powders% 时)，富含Cr元素的材料会产生一种脆性富Cr相 Cr Y203 Fe (体心立方体结构的相)，富Cr相的凝聚沉淀会 12.0 1.0 0.5 0.35 余量 引起Fe-Cr系统材料的溶解度出现间隔，造成一种 拐点式的分解，从而引起材料的脆化效应.综合考 2实验结果 虑，本实验选取了Cr质量分数为12%的ODS铁素 体钢作为研究对象. 2.1机械合金化效果 本文以12Cr0.5Ti-1W的氮气雾化粉作为原 在高能球磨过程中，大量且剧烈的碰撞现象发 料，加入质量分数为0.35%的Y203纳米氧化物粉 生在不锈钢球、粉末和不锈钢球磨罐之间，被捕获到 末，通过高能球磨的方法实现粉末的机械合金化，再 的粉末经过碰撞发生严重的塑性变形，使粉末受到 “微形”锻造作用，强制罐内粉末进行冷焊一断裂一 通过热等静压烧结成型的方法制备了12C一ODS铁 冷焊过程，最终达到原子级混合，使难熔氧化物 素体钢，最后对12CODS铁素体钢进行了显微组 Y,O,固溶于雾化合金粉中，形成亲密固溶体，最终 织结构的观察以及力学性能的测试 实现机械合金化可 1实验材料及方法 图1为原始雾化粉末和机械合金化粉末的扫描 电镜照片.原始雾化粉末呈规则球形，粒径大小比 在本实验中，选取平均粒径小于74m的氮气 较均匀.经过机械合金化之后的粉末粒径在十几微 雾化粉和平均粒径约为30m的Y203粉末作为实 米到几十微米之间.粉末呈现不规则的扁平状，这 验原料，具体成分如表1所示.将不锈钢球和预合 是由于雾化粉在球磨罐中与磨球发生了随机且剧烈 金粉末以球料质量比为5：1的比例置于不锈钢球磨 的碰撞. 罐中，在氩气氛围保护下，使用QM-WX10型全方位 高能球磨后，粉体中的过量氧含量（即扣除所 行星式球磨机以380rmin1的转速对预合金粉末 添加的Y,O,中结合的氧质量分数后剩余的氧质量 进行高能球磨，球磨时间为30h.然后将球磨后得 分数)是评价机械合金化效果的一个重要指标.如 到的粉末装入包套中，在密闭空间内，运用加热和挤 果机械合金化后的粉体中的过量氧含量过高，粉体 压等方法对包套中的粉末进行脱气和密封.通过热 中形成的大量含氧杂质会导致烧结成型后样品的致 等静压对包套内的粉末进行烧结成型，热等静压的 密性以及力学性能都大大降低回.在本实验中，采 条件是1150℃，200MPa,保温时间为3h.运用锻造 用惰性气脉冲红.外热导法（ASTME1019一2005)测 和热处理等方法改善12CODS铁素体钢的力学性 定了机械合金化后粉末中过量氧含量，所得机械合 能.锻造方式为自由锻，始锻温度为1150℃，终锻 金化后粉体中的过量氧含量仅为0.076%，说明机 温度为750℃，锻造比为3：1.热处理工艺为正火 械合金化过程的参数控制合理.北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 ( ferritic /martensitic，F /M) 不锈钢、镍基合金及氧化 物弥 散 强 化 ( oxide dispersion strengthening，ODS) 钢［5 － 6］． 近期研究表明，相比奥氏体钢而言，铁素体 钢因具有较低的稳态肿胀率而备受关注，被认为比 奥氏体不锈钢更适宜做反应堆的包壳材料［7 － 8］． 采 用粉末冶金方法制备的 ODS 铁素体钢在高温下仍 具有优异的抗蠕变强度以及很好的抵抗中子辐照脆 化的能力而成为了反应堆包壳管的重要候选材 料［1］． ODS 钢作为先进反应堆的包壳候选材料在日 本、美国、欧盟等核能先进国家已进行了长期深入的 研究，在我国也得到了越来越多的重视． 对于 ODS 铁素体钢而言，Cr 含量是影响其性能 的一个关键因素． 因为随着 Cr 含量的提高，ODS 铁 素体钢的抗腐蚀能力也会随之增强［9］． 但是，过高 的 Cr 含量也会对 ODS 铁素体钢的力学性能产生消 极影响． 当服役温度为 400 ～ 500 ℃时( 大约在 475 ℃ 时) ，富含 Cr 元素的材料会产生一种脆性富 Cr 相 ( 体心立方体结构的 α'相) ，富 Cr 相的凝聚沉淀会 引起 Fe--Cr 系统材料的溶解度出现间隔，造成一种 拐点式的分解，从而引起材料的脆化效应． 综合考 虑，本实验选取了 Cr 质量分数为 12% 的 ODS 铁素 体钢作为研究对象． 本文以 12Cr--0. 5Ti--1W 的氮气雾化粉作为原 料，加入质量分数为 0. 35% 的 Y2 O3 纳米氧化物粉 末，通过高能球磨的方法实现粉末的机械合金化，再 通过热等静压烧结成型的方法制备了 12Cr--ODS 铁 素体钢，最后对 12Cr--ODS 铁素体钢进行了显微组 织结构的观察以及力学性能的测试． 1 实验材料及方法 在本实验中，选取平均粒径小于 74 μm 的氮气 雾化粉和平均粒径约为 30 nm 的 Y2 O3 粉末作为实 验原料，具体成分如表 1 所示． 将不锈钢球和预合 金粉末以球料质量比为 5∶ 1的比例置于不锈钢球磨 罐中，在氩气氛围保护下，使用 QM--WX10 型全方位 行星式球磨机以 380 r·min － 1 的转速对预合金粉末 进行高能球磨，球磨时间为 30 h． 然后将球磨后得 到的粉末装入包套中，在密闭空间内，运用加热和挤 压等方法对包套中的粉末进行脱气和密封． 通过热 等静压对包套内的粉末进行烧结成型，热等静压的 条件是 1150 ℃，200 MPa，保温时间为 3 h． 运用锻造 和热处理等方法改善 12Cr--ODS 铁素体钢的力学性 能． 锻造方式为自由锻，始锻温度为 1150 ℃，终锻 温度为 750 ℃，锻造比为 3∶ 1． 热处理工艺为正火 ( 1050 ℃，3 h，空冷) 之后再进行回火处理( 730 ℃，1 h，空冷) ． 通过扫描电子显微镜( SEM/LEO--1450) 对原始 雾化粉粉末和机械合金化之后的粉末进行观察和对 比分析; 通过透射电子显微镜( TEM/JEOL--JEM) 对 12Cr--ODS 铁素体钢的微观组织进行了观察; 使用 电子能谱( EDS /G20) 可以对实验样品的某一区域 进行成分分析． 采用双喷减薄方法制备了透射电镜 试样，双喷侵蚀液由体积分数为 10% 高氯酸和 90% 乙醇的混合溶液，仪器电压控制在 25 V，电流控制在 20 ～ 35 mA． 使用电子万能试验机( WDW) 对 12Cr--ODS 钢 样品的拉伸性能进行测试． 通过超声波无损检测仪 器( MH--6) 分析材料的杨氏模量等性能． 表 1 机械合金化粉末的化学成分表( 质量分数) Table 1 Nominal composition of ODS pre-alloyed powders % Cr W Ti Y2O3 Fe 12. 0 1. 0 0. 5 0. 35 余量 2 实验结果 2. 1 机械合金化效果 在高能球磨过程中，大量且剧烈的碰撞现象发 生在不锈钢球、粉末和不锈钢球磨罐之间，被捕获到 的粉末经过碰撞发生严重的塑性变形，使粉末受到 “微形”锻造作用，强制罐内粉末进行冷焊—断裂— 冷焊 过 程，最终达到原子级混合，使 难 熔 氧 化 物 Y2O3固溶于雾化合金粉中，形成亲密固溶体，最终 实现机械合金化［9］． 图 1 为原始雾化粉末和机械合金化粉末的扫描 电镜照片． 原始雾化粉末呈规则球形，粒径大小比 较均匀． 经过机械合金化之后的粉末粒径在十几微 米到几十微米之间． 粉末呈现不规则的扁平状，这 是由于雾化粉在球磨罐中与磨球发生了随机且剧烈 的碰撞． 高能球磨后，粉体中的过量氧含量( 即扣除所 添加的 Y2O3中结合的氧质量分数后剩余的氧质量 分数) 是评价机械合金化效果的一个重要指标． 如 果机械合金化后的粉体中的过量氧含量过高，粉体 中形成的大量含氧杂质会导致烧结成型后样品的致 密性以及力学性能都大大降低［9］． 在本实验中，采 用惰性气脉冲红外热导法( ASTME1019—2005) 测 定了机械合金化后粉末中过量氧含量，所得机械合 金化后粉体中的过量氧含量仅为 0. 076% ，说明机 械合金化过程的参数控制合理． ·764·