9cr-ods钢热变形工艺及热变形的控制

9cr-ods钢热变形工艺及热变形的控制

1大应变量在不锈钢自低激活铁素体和马氏体钢被用作聚变反应层的重要结构候选人材料。低活化材料是指经过若干年辐照后其放射性主要来自于短寿命或中等寿命放射性核素,因此,合金材料放置300年后其放射性水平能满足手工处置条件。然而,由于低活化钢高温力学性能较差,限制了其使用温度应低于550℃。氧化物弥散强化(ODS)被认为是最有前途的提高材料使用温度范围的技术,ODS是指通过机械合金化技术使合金基体中弥散分布着高稳定性的纳米氧化物颗粒,该纳米氧化物颗粒可以强烈阻碍位错运动,可显著提高材料的力学性能。ODS钢与同类熔炼钢相比具有的优点是:晶粒更加细小,且在较高温度下晶粒长大不明显;由于纳米氧化物颗粒的均匀分布,材料表现出优良的力学性能,尤其是高温性能。目前ODS铁素体/马氏体钢的研究主要集中在日本、欧盟、韩国以及印度等。欧洲的ODSEurofer97钢研究最早且最为成熟,主要是采用高能球磨机机械合金化、热等静压(HIP)成形、热轧和热处理等技术制备。中国关于9Cr低活化钢的研究已经相当成熟,但是关于9Cr-ODS钢方面的研究还没有相关结果,因此对9Cr-ODS钢的制备及其拉伸性能的研究具有一定的实际意义。2cr-ods合金粉的制备原料为采用真空感应熔炼和氮气雾化方法制备的成分为Fe-9Cr-1.5W-0.15Si的预合金粉;预合金粉再添加质量分数为0.5%的Ti和0.35%的Y2O3,并采用机械合金化的方法制备9Cr-ODS合金粉。实验设备为行星式球磨机,球料比为10∶1,保护气氛为高纯氩气,球磨机转速为330r/min,球磨时间30h。将制备出的9Cr-ODS合金粉在110MPa、1150℃保温2h的条件下HIP成形烧结,之后进行热加工处理。具体的工艺参数:(1)锻造工艺:始锻温度为1150℃,终锻温度大于1000℃,锻造比为3∶1。(2)轧制工艺:轧制温度为1050℃,总的变形量为60%,共分3个道次,每道次的变形量分别为10%、20%、30%。(3)退火温度为750℃,保温1h,冷却方式为炉冷;淬火温度为1050℃,保温30min,冷却方式为水冷;回火温度为750℃,保温1h,冷却方式为空冷。对得到的样品进行密度和拉伸测试。根据HB5195—96,将试样加工成圆形比例拉伸试样,分别进行室温、700℃的拉伸实验,然后对拉伸结果进行分析,同时对拉伸试样的断口形貌进行扫描电镜观察。3结果与分析3.1拉伸试验结果9Cr-ODS钢经HIP成形烧结后,首先对材料进行退火处理。利用排水法对样品进行密度测试,测得密度为7.65g/cm3,理论密度为7.92g/cm3,结果表明材料没有完全致密化,材料内部残存有部分的缺陷,为消除材料内部缺陷,提高材料的致密化程度,对材料进行锻造、轧制等热变形加工处理。锻造、轧制之后材料的密度分别为7.79g/cm3、7.78g/cm3,表明经过锻造、轧制等热变形加工后,材料的致密度得到提高,内部缺陷得到消除,材料的性能得到改善。HIP后的9Cr-ODS钢经过热加工处理后样品的室温拉伸结果(图1至图3)为:HIP退火处理、HIP锻造退火处理、HIP锻造淬火回火处理、HIP轧制淬火回火处理的室温屈服强度分别为900、825、835、815MPa,室温抗拉强度分别为1050、990、955、965MPa,室温断后延伸率分别为6.5%、14%、16%、16.5%。室温拉伸结果表明9Cr-ODS钢热加工处理后,可以在保证材料较高强度的前提下,大幅度改善材料的塑性。这主要是由于锻造、轧制提高了材料的致密度,消除了材料内部的缺陷,使材料的组织变得更加致密,从而提高了材料的塑性。拉伸实验温度为700℃的高温拉伸结果(图4和图5)为:HIP退火处理、HIP锻造退火处理、HIP轧制淬火回火处理的屈服强度分别为285、220、225MPa,抗拉强度分别为300、275、260MPa,断后延伸率分别为17%、32.5%、40%,断面收缩率分别为32.5%、45%、63%。700℃拉伸结果与室温拉伸结果相比,9Cr-ODS钢的高温抗拉强度和屈服强度呈下降趋势,但塑性升高。与文献相比,本实验制备的9Cr-ODS钢室温拉伸强度高于ODSEurofer97钢,经锻造和轧制及热处理的9Cr-ODS钢塑性优于ODSEurofer97钢。在700℃高温拉伸下9Cr-ODS钢强度与ODSEurofer97钢接近,经过锻造和轧制及热处理的9Cr-ODS钢塑性优于ODSEurofer97钢。3.2cr-ods钢的断口从图6的宏观断口形貌可以看出,9Cr-ODS钢的断裂方式均为韧性断裂,拉伸断口由纤维区、放射区和剪切唇3个区域组成。经过锻造处理之后,拉伸试样的断口可以看到明显的锻造取向。从图7断口上可以看到遍布的韧窝,HIP退火后,韧窝的大小不均,经过锻造和轧制后的9Cr-ODS钢拉伸断口有明显的取向,并且韧窝也变得更加细小均匀。韧窝的大小决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数,以及外加应力的大小和状态等。综上分析可以看出,9Cr-ODS钢的断裂方式为韧性断裂,经过锻造或轧制处理后,拉伸断口上韧窝细小且分布更加均匀,材料的塑性也更好。4对9cr-ods钢材料的改性(1)采用机械合金化、HIP以及热变形加工的方法制备9Cr-ODS钢。(