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《中南大学》 2010年
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粉末冶金铁基高温合金的制备及其微观组织和高温性能研究

刘东华  
【摘要】:铁基高温合金具有高的高温抗蠕变强度和抗中子辐射肿胀性能,是一类具有优越综合性能的先进结构材料。纳米氧化物弥散强化(ODS)铁素体合金的性能和制备工艺研究一直是许多科研学者努力的方向。本文通过直接氧化和雾化加氧两种方法制备铁基高温合金粉末Fe-14Cr-3W-0.5Ti-0.3Y-0.30(wt,%),并研究铁基合金粉末的氧化动力学以及氧在雾化粉末、球磨粉末和后续致密化合金中的存在形式;通过提高铁基合金粉末中第二相的百分含量,阐述了影响合金致密度和第二相形成的因素;采用热加工和热处理工艺获得了室、高温力学性能优良的铁基合金,分析并讨论了合金的微观结构演变规律和第二相对合金的强化机理,得到以下主要结论: (1)铁基合金雾化粉末Fe-14Cr-3W-0.5Ti-0.3Y-0.030(wt,%)在500℃进行氧化时,其氧化过程符合动力学方程(ΔW/S)2=kpt+c。氧化16h以内,氧化机制受表面反应控制。提高氧化温度并缩短氧化时间,可以抑制Fe203氧化层的长大。 (2)氧以固溶形式存在于雾化粉末中;在氧化粉末中,氧达到扩散固溶度后直接在粉末颗粒表面聚集。在高能球磨过程中,粉末颗粒中产生大量晶格畸变,氧在粉末中的固溶度扩大,以固溶的方式存在于球磨粉末中。 (3)合金Fe-14Cr-3W-0.5Ti-0.3Y-0.220(wt,%)在800~1000℃温度区间内烧结时,再结晶晶粒尺寸为亚微米级,这些晶粒非常稳定,尺寸随烧结温度和时间的变化不明显。1200℃退火基体中出现针、条状晶粒组织,延长保温时间会出现晶粒的异常长大现象,产生两种尺寸分布的晶粒,这是由于晶粒中Y-Ti-O第二相粒子分布不均匀导致的。球磨粉末锻造合金Fe-14Cr-3W-0.5Ti-0.3Y-0.220(wt,%)在温度为600和700℃时,获得了较好的耐摩擦性能,随着温度和滑动速度的提高,合金的磨损机制发生了改变,由粘着磨损转化为氧化磨损和磨粒磨损。 (4)合金Fe-14Cr-3W-5Ti-3Y-2.2O(wt,%)中,析出相Ti2Y207对基体产生强化作用。随烧结温度升高,析出相发生长大,强化作用减弱。该锻造态合金的高温压缩强度不仅与弥散相粒子的大小有关,粒子的体积百分含量也起到了至关重要的作用。 (5)铁基雾化粉末锻造态合金经1300℃退火,再结晶完全,晶粒细小,硬度值高达HRC54.8,随退火温度的提高,由于强化相颗粒长大,导致硬度值下降;经700℃低温回火处理后,由于材料中Cr的固溶度降低,铁基合金晶格常数变小,硬度值下降。 (6)在铁基合金雾化粉末中引入不同的添加物,结果表明,添加A1粉加速了铁素体基体中的元素扩散,致使合金的晶粒尺寸增大;添加Fe203粉的合金由于O的固溶,氧化物溶解,产生大量残余孔隙,阻碍晶粒长大,因而晶粒尺寸较小。合金晶粒的长大规律满足Beck方程,添加Al粉合金的晶粒生长指数得到提高;添加Fe203粉合金的晶粒生长指数下降。 (7)通过旋锻工艺可提高挤压态铁基合金的致密化程度,随着热处理时间增加,合金晶粒长大明显。Y-Ti-O纳米粒子对合金高温强度的稳定性起至关重要的作用,析出相粒子没有随退火时间的延长而发生长大,且在850℃下的压缩强度变化不明显。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG132.32

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