一种ODS钢的电弧熔丝制备方法

摘要

本发明提供一种ODS钢的电弧熔丝制备方法，将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末采用行星球磨机进行机械合金化，再加入B2O3、ZrSiO4和TiO2混合均匀，再在真空干燥箱中干燥，将药粉填充至O形钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，将焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，切割、打磨得到。其生产效率高，工艺成本低，制备的ODS钢强化相分布均匀，室温拉伸强度σb≥1200MPa，延伸率≥15％，800℃条件下拉伸强度σb≥300MPa，与传统Fe‑Cr‑W‑Ti‑Y2O3体系合金相当。本发明ODS钢能够满足核裂变燃料包覆管及核聚变反应堆第一壁结构材料批量化制备的需求。

权利要求

1.一种ODS钢的电弧熔丝制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）机械合金化：将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量百分比配置成混合粉末：14%≤Cr≤25%，3%≤W≤5%，0.5%≤Ti≤1.0%，1.5%≤Si≤5.0%， 0.5%≤Y2O3≤1.0%，余量为Fe，将混合粉末采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间10 100h，球料比7:1 30:1，球磨转速~ ~

200 500rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

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（2）药粉制备：将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.1%≤B2O3≤0.8%、

0.5%≤ZrSiO4≤1.0%、0.2%≤ TiO2≤1.0%；球磨时间0.5~10h，球料比5:1~10:1，球磨转速50

300rpm，球磨介质为无水乙醇；

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（3）干燥：将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度60 120℃，时间0.5 10h，真~ ~空度不高于1Pa；

（4）焊丝成型：将干燥好的药粉填充至O形钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径0.5 3mm；

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（5）电弧熔丝增材制造：将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为20~25vol%，流量为2.0~

3.0L/min；堆焊电流为200 300A，电压为30 35V，药芯焊丝的送丝速度选择2 2.4m/min，焊~ ~ ~枪移动速度为35 45cm/min；

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（6）后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢；ODS钢强化相分布均匀，室温拉伸强度σb≥1200MPa，延伸率≥15%，800℃条件下拉伸强度σb≥300MPa；

所制备的ODS钢中弥散相为Ti、Si、Y及O原子组成的任意原子计量比的相或微观结构，平均尺寸为1 20nm。

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2.如权利要求1所述的ODS钢的电弧熔丝制备方法，其特征在于，所制备的ODS钢由基体与弥散相组成，其中弥散相所占体积分数为0.1 5%。

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3.如权利要求2所述的ODS钢的电弧熔丝制备方法，其特征在于，所制备的ODS钢基体为铁素体组织，平均晶粒尺寸为0.5 20μm。

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说明书

一种ODS钢的电弧熔丝制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种ODS钢的电弧熔丝制备方法。

背景技术

[0002] ODS钢以其高导热系数、低热膨胀系数、低辐照肿胀率、耐PbLi、PbBi、Na等液态金属腐蚀和较好抗高温蠕变性等优点，在核聚变堆第一壁结构材料方面具有极大的应用潜力，目前已成为超临界水堆和铅冷快堆的首选结构材料。其优异的高温性能主要是由于基体内均匀弥散着尺寸极小、分布密度极高的Y‑Ti‑O纳米团簇。目前制备含纳米团簇ODS钢的工艺包括等静压、热挤压及放电等离子烧结等，虽然能有效获得性能优异的材料，但其工艺复杂，成本极高，且制造效率低，难以满足第四代核反应堆对结构材料巨大的需求量。

[0003] 因此，开发一种高效、低成本生产工艺，制备出性能满足要求的ODS钢，对于将ODS钢能成功应用于核能工业十分必要。

发明内容

[0004] 本发明针对上述问题，提供了一种基于电弧熔丝技术制备ODS钢的方法，可实现ODS钢的高效率、低成本批量化制备。同时向传统ODS钢成分中引入Si增强抗氧化性，并通过Si与基体中Ti、Y、O原子的复合并形成超微结构，显著提升高温强度和耐辐照性能。

[0005] 本发明采用如下技术方案实现：

[0006] 一种ODS钢的电弧熔丝制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

[0007] (1)机械合金化：将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量百分比配置成混合粉末：9％≤Cr≤25％，0％≤W≤5％，0.1％≤Ti≤1.0％，0.1％≤Si≤5.0％，0.1％≤Y2O3≤
1.0％，余量为Fe，将混合粉末采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间10～100h，球料比
7:1～30:1，球磨转速200～500rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0008] (2)药粉制备：将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3,ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3,ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.1％≤B2O3≤0.8％、0.5％≤ZrSiO4≤1.0％、0.2％≤TiO2≤1.0％；球磨时间0.5～10h，球料比5:1～10:1，球磨转速50～300rpm，球磨介质为无水乙醇；

[0009] (3)干燥：将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度60～120℃，时间0.5～10h，真空度不高于1Pa；

[0010] (4)焊丝成型：将干燥好的药粉填充至O形钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径0.5～3mm；

[0011] (5)电弧熔丝增材制造：将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为20～25vol％，流量为2.0～3.0L/min；堆焊电流为200～300A，电压为30～35V，药芯焊丝的送丝速度选择2～
2.4m/min，焊枪移动速度为35～45cm/min；

[0012] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，

[0013] 并对切割面进行打磨，获得ODS钢。

[0014] 在药芯中加入了B2O3、ZrSiO4和TiO2，能有效增强电弧稳定性，调节熔渣的粘度，从而提高焊接组织韧性，并美化成型外观。采用电弧熔丝增材制造工艺，不仅能获得性能优异的ODS钢，同时制造效率高、工艺简单且成本较低。

[0015] 进一步的，所制备的ODS钢由基体与弥散相组成，其中弥散相所占体积分数为0.1～5％。

[0016] 进一步的，所制备的ODS钢基体为铁素体组织，平均晶粒尺寸为0.5～20μm。

[0017] 进一步的，所制备的ODS钢中弥散相为Ti、Si、Y及O原子组成的任意原子计量比的相或微观结构，平均尺寸为1～20nm。

[0018] 进一步的，所制备的ODS钢中任意原子计量比的Ti、Si、Y及O组成相或微观结构，能大幅提高传统ODS钢的高温强度和抗蠕变性。

[0019] 本发明制备方法添加Si能使得ODS钢获得复杂微观结构，同时提高材料在制备工艺中的抗氧化性。

[0020] 本发明所提出的电弧熔丝工艺生产效率高，成本低，制备的ODS钢强化相分布均匀，室温拉伸强度σb≥1200MPa，延伸率≥15％，800℃条件下拉伸强度σb≥300MPa，与传统的Fe‑Cr‑W‑Ti‑Y2O3体系合金相当。因此，本发明能够满足核裂变燃料包覆管及核聚变反应堆第一壁结构材料批量化制备的需求。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例3制备ODS合金的TEM图。

[0022] 图2为本发明实施例3制备ODS合金的图1中纳米相A成分分析图。

[0023] 图3为本发明实施例3制备ODS合金的图1中纳米相B成分分析图。

具体实施方式

[0024] 结合实施例对本发明作进一步描述。

[0025] 实施例1：

[0026] (1)将Fe、Cr、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量分数计，90.7％Fe、9％Cr、0.1％Ti、0.1％Si、0.1％Y2O3配置成混合粉末，随后放置在采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间10h，球料比7:1，球磨转速200rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0027] (2)将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.1％B2O3、0.5％ZrSiO4、0.2％TiO2；球磨时间0.5h，球料比5:1，球磨转速50rpm，球磨介质为无水乙醇。

[0028] (3)将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度60℃，时间0.5h，真空度不高于1Pa；

[0029] (4)将干燥好的药粉填充至O形低碳钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径0.5mm；

[0030] (5)将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为20vol％，其流量为2.0L/min；堆焊电流为200A，电压为30V，药芯焊丝的送丝速度选择2m/min，焊枪移动速度为35cm/min；

[0031] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢，该ODS钢性能详情见表1。

[0032] 实施例2：

[0033] (1)将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量分数计，63.6％Fe、25％Cr、5.0％W、0.4％Ti、5.0％Si、1.0％Y2O3配置成混合粉末，随后放置在采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间100h，球料比30:1，球磨转速500rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0034] (2)将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合。加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.5％B2O3、1.0％ZrSiO4、1.0％TiO2；球磨时间10h，球料比10:1，球磨转速300rpm，球磨介质为无水乙醇；

[0035] (3)将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度120℃，时间10h，真空度不高于1Pa；

[0036] (4)将干燥好的药粉填充至O形低碳钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径3mm；

[0037] (5)将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为25vol％，其流量为3.0L/min；堆焊电流为300A，电压为35V，药芯焊丝的送丝速度选择2.4m/min，焊枪移动速度为45cm/min；

[0038] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢，该ODS钢性能详情见表1。

[0039] 实施例3：

[0040] (1)将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量分数计，75.7％Fe、18％Cr、2.0％W、1.0％Ti、3.0％Si、0.3％Y2O3配置成混合粉末，随后放置在采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间100h，球料比20:1，球磨转速300rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0041] (2)将上述机械合金化制备的合金粉末B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.7％B2O3、0.8％ZrSiO4、1.0％TiO2；球磨时间2h，球料比7:1，球磨转速200rpm，球磨介质为无水乙醇；

[0042] (3)将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度90℃，时间3h，真空度不高于1Pa；

[0043] (4)将干燥好的药粉填充至O形低碳钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径1.5mm；

[0044] (5)将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为23vol％，其流量为2.8L/min；堆焊电流为260A，电压为33V，药芯焊丝的送丝速度选择2.2m/min，焊枪移动速度为40cm/min；

[0045] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢，该ODS钢性能详情见表1。该ODS钢的TEM图如图1所示，ODS钢的纳米相成分分析如图2和图3所示。

[0046] 实施例4：

[0047] (1)将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量分数计，76.7％Fe、16％Cr、3.0％W、0.5％Ti、3.0％Si、0.8％Y2O3配置成混合粉末，随后放置在采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间100h，球料比25:1，球磨转速320rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0048] (2)将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.65％B2O3、0.3％ZrSiO4、0.62％TiO2；球磨时间8h，球料比8:1，球磨转速200rpm，球磨介质为无水乙醇。

[0049] (3)将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度95℃，时间8h，真空度不高于1Pa。

[0050] (4)将干燥好的药粉填充至O形低碳钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径1.8mm。

[0051] (5)将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为22vol％，其流量为2.9L/min；堆焊电流为275A，电压为34V，药芯焊丝的送丝速度选择2.3m/min，焊枪移动速度为42cm/min；

[0052] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢，该ODS钢性能详情见表1。

[0053] 实施例5：

[0054] (1)将Fe、Cr、W、Ti、Si和Y2O3粉末按照质量分数计，80.6％Fe、14％Cr、3.0％W、0.4％Ti、1.5％Si、0.5％Y2O3配置成混合粉末，随后放置在采用行星球磨机进行机械合金化，球磨时间100h，球料比20:1，球磨转速350rpm，球磨过程中均采用高纯氩气保护；

[0055] (2)将上述机械合金化制备的合金粉末与B2O3、ZrSiO4和TiO2在行星球磨机上均匀混合，加入的B2O3、ZrSiO4和TiO2占合金粉末的质量百分比分别为：0.8％B2O3、0.5％ZrSiO4、0.6％TiO2；球磨时间6h，球料比8:1，球磨转速220rpm，球磨介质为无水乙醇；

[0056] (3)将球磨后的药粉在真空干燥箱中进行干燥，温度85℃，时间4h，真空度不高于1Pa；

[0057] (4)将干燥好的药粉填充至O形低碳钢管中，用压轧机轧紧，经过粗拉、精拉制成药芯焊丝，焊芯直径2.0mm；

[0058] (5)将上述焊丝作为熔化极在钢材基板上进行电弧熔丝增材制造，电弧熔丝实施过程中，采用Ar‑CO2混合气体进行保护，其中CO2为24vol％，其流量为2.5L/min；堆焊电流为280A，电压为32V，药芯焊丝的送丝速度选择2.1m/min，焊枪移动速度为45cm/min；

[0059] (6)后处理：将基板与电弧熔丝增材制造制备的ODS钢切割分离，并对切割面进行打磨，获得ODS钢，该ODS钢性能详情见表1。

[0060] 表1 实施例力学性能

[0061]