本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆的核心部件核燃料包殼用耐高溫、高強(qiáng)度、抗輻照合金的制備技術(shù)，特別提供一種用3D打印技術(shù)制備高性能納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼(納米結(jié)構(gòu)ODS鋼)工件的方法。
背景技術(shù)：
核燃料包殼是反應(yīng)堆的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件之一，其作用是防止放射性裂變物質(zhì)進(jìn)入一次冷卻系統(tǒng)，高溫、不斷變化的巨大應(yīng)力、強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)、長(zhǎng)期中子輻照和高He量等嚴(yán)酷的工作環(huán)境引起包殼材料一系列微觀結(jié)構(gòu)和微觀化學(xué)的改變以及物理、化學(xué)和力學(xué)性能的顯著惡化，因此對(duì)包殼材料提出極高的要求。作為核反應(yīng)堆最重要的安全屏障之一，燃料包殼已成為國際核材料研究的熱點(diǎn)。在長(zhǎng)期的研發(fā)過程中人們逐漸認(rèn)識(shí)到，為了滿足先進(jìn)堆對(duì)包殼等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料高溫蠕變強(qiáng)度和抗輻照、抗He脆性能的要求，材料必需具有超高密度和納米尺度(幾個(gè)納米)的強(qiáng)化析出相，而只有通過相應(yīng)合金元素的固溶/過飽和固溶和再析出，才能實(shí)現(xiàn)高度彌散分布的納米尺度強(qiáng)化相的形成，由此發(fā)展出納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼(納米結(jié)構(gòu)ODS鋼)，其特征性的超高密度(可達(dá)1022—1024/m3，比普通氧化物彌散強(qiáng)化鋼高出3—4個(gè)數(shù)量級(jí))、納米尺度(2-10nm)、高度彌散分布的富Y-Ti-O系等強(qiáng)化析出相，是俘獲輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷(空位和間隙原子)和核反應(yīng)生成的He的數(shù)量巨大且彌散分布的位點(diǎn)，使點(diǎn)缺陷和He分別以極 其微細(xì)的點(diǎn)缺陷團(tuán)和He泡形式均勻分布在材料基體中，從而有效降低輻照腫脹和He脆，避免晶界上生成大孔洞和大He泡引起材料蠕變強(qiáng)度降低和材料脆化。此外，超高密度的彌散強(qiáng)化析出相具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，形成對(duì)位錯(cuò)和晶界的有效釘扎，從而顯著提高材料的強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度。現(xiàn)在，納米結(jié)構(gòu)ODS鋼因其優(yōu)異的抗輻照與抗氦脆能力和優(yōu)良的高溫強(qiáng)度與蠕變強(qiáng)度而成為先進(jìn)堆核燃料包殼的領(lǐng)先候選材料和國際研究的熱點(diǎn)。
因此，為了賦予納米結(jié)構(gòu)ODS鋼優(yōu)異的抗輻照、耐高溫等性能，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)富Y-Ti-O等強(qiáng)化相的析出成為其制備工藝的關(guān)鍵。Y是形成高密度納米析出相的關(guān)鍵元素，但Y在鋼中的室溫溶解度極低，難以通過普通冶金方法使之在合金中有足夠的固溶，因此在納米結(jié)構(gòu)ODS鋼現(xiàn)有的常規(guī)制備工藝中，通過Y2O3與相應(yīng)合金元素(或其母合金)的機(jī)械合金化球磨成為實(shí)現(xiàn)Y在合金中過飽和固溶的主要手段，通過機(jī)械球磨得到Y(jié)過飽和固溶、其它合金元素固溶的粉體合金，為在后續(xù)工藝中納米相的析出作組織準(zhǔn)備。球磨過程常需幾十到幾百小時(shí)(取決于設(shè)備的能量)，不僅效率低下，還難以避免來自球磨氣氛中的氧和研磨介質(zhì)(研磨球和罐體)的污染導(dǎo)致材料性能下降。為實(shí)現(xiàn)高密度納米相從過飽和固溶體合金中析出、粉體合金的固體化和致密化，球磨后的過飽和固溶體合金粉需通過熱等靜壓或熱擠壓進(jìn)行熱固體化處理。熱等靜壓所需溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、晶粒較粗大、成本高，且可能需進(jìn)一步熱軋以增加致密度及提高性能；熱擠壓后存在明顯的組織與性能的各向異性(晶粒的長(zhǎng)徑比甚至可達(dá)10：1)，需要復(fù)雜的后續(xù)高溫?zé)釞C(jī)械處理以通過再結(jié)晶和熱機(jī)械加工調(diào)整晶粒形態(tài)至接近等軸晶。熱擠壓固體化工藝也使合金的制備能力受限。
正在迅速發(fā)展的3D打印技術(shù)是根據(jù)三維數(shù)字模型采取逐點(diǎn)和逐層熔覆疊加的方式制備工件，是制造領(lǐng)域的一次重大突破，尤其對(duì)工藝步驟或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料價(jià)格昂貴的產(chǎn)品的生產(chǎn)，不再需要切削加工，在效率和成本、質(zhì)量和精度控制方面極具優(yōu)勢(shì)。3D打印制備的工件其合金組織結(jié)構(gòu)是在激光束作用下材料微區(qū)域的熔化-凝固過程形成的，這一技術(shù)特征繼之以簡(jiǎn)單的后續(xù)熱處理，為同步實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)ODS鋼特征性微觀結(jié)構(gòu)的形成和粉體材料的固體化與致密化提供了可能。因此，通過對(duì)3D打印技術(shù)條件的控制與優(yōu)化(在本項(xiàng)發(fā)明中首先是在合金組成中添加Zr以細(xì)化析出相和采用低溫保護(hù)氣體以大幅提升熔池微區(qū)域冷卻速率，以及3D打印技術(shù)參數(shù)的綜合適配)完全能夠同步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有常規(guī)制備技術(shù)在特征性微觀結(jié)構(gòu)控制和合金固體化致密化的目標(biāo)：
①高能量密度的激光束在極短的時(shí)間內(nèi)使極小區(qū)域的基材快速熔化，隨著激光光斑的移動(dòng)，熔池在周圍冷態(tài)基材的熱交換作用下，激光熔池微區(qū)域?qū)⒁暂^高的冷卻速率冷卻，可以達(dá)到102K/s以上，雖然這樣的冷卻速率尚不能確保Y在熔池微區(qū)域合金中的完全固溶，但若在激光熔覆的過程中使用極低溫度的保護(hù)氣體，強(qiáng)制的冷卻作用將使熔覆之后的熔池及周邊區(qū)域的冷卻速率達(dá)到105～106K/s，足以使高溫下固溶在合金熔池中的Y在激光斑移出、熔池微區(qū)域合金快速凝固后仍保持固溶狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)Y在熔池微區(qū)域的合金在凝固后呈過飽和固溶狀態(tài)，這正是常規(guī)工藝的機(jī)械球磨要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)；
②3D打印過程中的快速冷卻會(huì)使熔池微區(qū)域合金的凝固明顯偏離平衡態(tài)，既可避免微觀偏析的發(fā)生，也可形成亞穩(wěn)相使合金晶粒的微觀亞結(jié)構(gòu) 細(xì)化。3D打印采用的是逐點(diǎn)逐層熔化-凝固，所以只要保證基材(粉體混合物)足夠均勻，就可有效避免宏觀偏析的發(fā)生；另外逐點(diǎn)逐層連續(xù)的激光熔覆使得激光熔池與周邊固體基材區(qū)域之間存在液-固兩相區(qū)，可以對(duì)凝固收縮進(jìn)行及時(shí)的液態(tài)金屬補(bǔ)縮，從而抑制普通鑄件常見的疏松和縮孔的產(chǎn)生，有利于合金組織的致密化。偏析的減小和合金致密化都有利于提高工件的力學(xué)性能；
③3D打印中的逐點(diǎn)逐層的打印過程，對(duì)熔化-凝固后的合金微區(qū)域形成反復(fù)的回火/退火作用，有效去除微區(qū)域熔化-凝固過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的殘余應(yīng)力。
綜上，3D打印完全能夠同步實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)ODS鋼常規(guī)制備工藝中機(jī)械球磨工序形成Y過飽和固溶/其它合金元素固溶的功能，以及熱固體化工序的粉體合金固體化與致密化的功能，有效避免宏觀微觀偏析、疏松縮孔、殘余應(yīng)力等普通鑄態(tài)合金構(gòu)件常見的缺點(diǎn)，從而在組織結(jié)構(gòu)上為3D打印工件的良好力學(xué)性能提供組織基礎(chǔ)。在3D打印完成后，繼之以簡(jiǎn)單的后續(xù)熱處理來實(shí)現(xiàn)納米強(qiáng)化相的析出，即可得到具有特征性微觀結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決納米結(jié)構(gòu)ODS鋼現(xiàn)有常規(guī)制備方法工藝復(fù)雜、效率低下的問題，本發(fā)明提供一種用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，通過3D打印和后續(xù)熱處理，制備出高性能的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件。
本發(fā)明技術(shù)方案如下：
一種用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼(納米結(jié)構(gòu)ODS鋼)工件的方法，其特征在于：通過在基材中添加Zr、使用冷阱降低保護(hù)氣體溫度，用3D打印技術(shù)繼之以簡(jiǎn)單的后續(xù)熱處理，制備出具有納米結(jié)構(gòu)ODS鋼特征性微觀結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件；
其中納米結(jié)構(gòu)ODS鋼包括納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼、納米結(jié)構(gòu)ODS鐵素體/馬氏體雙相鋼和納米結(jié)構(gòu)ODS鐵素體鋼(其常規(guī)化學(xué)組成參見申請(qǐng)人已獲授權(quán)的專利ZL 2012 1 0513997.1)；此處所稱的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼特征性微觀結(jié)構(gòu)是：鋼中含有超高密度(≥1022/m3)、尺寸為幾個(gè)納米的Y-M-O型氧化物，其中M＝Ti、Al、Zr，呈高度彌散分布。
本發(fā)明所述用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，其特征在于：在用3D打印制備各類納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件時(shí)，除常規(guī)組成元素外，鋼中均添加(質(zhì)量％)0.1-1.0的Zr，以細(xì)化析出相的尺寸和優(yōu)化合金的力學(xué)性能。
本發(fā)明所述用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，其特征在于，進(jìn)行3D打印時(shí)可以使用以下兩種基材：
①相應(yīng)合金組成元素的純金屬粉的混合粉，其中Y金屬粉的純度≥99.0％、總稀土含量(TREM)≥99.5％、粒徑50～75μm(200～300目)；其它純金屬粉的純度≥99.0％、粒徑≤150μm；
②按設(shè)計(jì)成分制備母合金并經(jīng)霧化制備的霧化合金粉(見申請(qǐng)人的專利ZL 2012 1 0513997.1)，霧化粉粒徑≤150μm。
本發(fā)明所述用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，其特征 在于：3D打印的激光功率1.5～4.0kW，光斑直徑400～700μm，掃描速度150～500mm/min，激光熔覆的單層厚度≤300μm；基材粉體的輸運(yùn)(送粉)和激光熔池的防氧化(保護(hù))均采用高純Ar氣；送粉氣體流量1～2升/min；保護(hù)氣體束直徑5mm，以激光束為中心隨激光束移動(dòng)，流量1～5升/min。
本發(fā)明所述用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，其特征在于：輸送保護(hù)氣體的管路以螺旋狀通過填充有干冰(固態(tài)CO2)的冷阱，使保護(hù)氣體在到達(dá)位于激光光斑附近的出口位置時(shí)其溫度接近-78℃，低溫保護(hù)氣體有效降低激光光斑熔池周圍區(qū)域的溫度，從而大幅提高激光熔池中合金的凝固速率。
本發(fā)明所述用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的方法，其特征在于：在完成3D打印后，對(duì)3D打印制成的工件進(jìn)行后續(xù)熱處理，熱處理溫度T＝T0+50℃，其中T0與鋼的成分有關(guān)，是用常規(guī)方法制備相應(yīng)成分的納米ODS鋼時(shí)的過飽和固溶體合金中納米相開始明顯析出的溫度，可以通過試驗(yàn)確定；熱處理的保溫時(shí)間t與成分有關(guān)，是相應(yīng)成分的過飽和固溶體合金在溫度T形成最大密度納米析出相所需的時(shí)間，可以通過試驗(yàn)確定。合金的晶體結(jié)構(gòu)取決于合金的成分和熱處理的冷卻方式，根據(jù)成分和預(yù)定的合金晶體結(jié)構(gòu)類型選擇熱處理的冷卻方式，即得到相應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼，所述冷卻方式為空冷或水冷。
發(fā)明要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題：
納米結(jié)構(gòu)ODS鋼不同于其它材料的最大特點(diǎn)是具有超高密度的納米析出相，它是納米結(jié)構(gòu)ODS鋼最重要的微觀結(jié)構(gòu)特征和具有優(yōu)異抗輻照抗氦 脆性能與良好高溫強(qiáng)度的決定性因素。在3D打印過程中通過逐點(diǎn)逐層激光掃描形成Y過飽和固溶/其它合金元素固溶的合金，在后續(xù)的簡(jiǎn)單熱處理過程中得到超高密度、幾個(gè)納米尺度的Y-M-O型析出相并呈高度彌散分布，是本項(xiàng)發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)問題。
針對(duì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，本項(xiàng)發(fā)明特別在基材的化學(xué)組成中添加Zr以細(xì)化合金中納米析出相的尺寸，并使用冷阱提高熔池合金凝固速率，同時(shí)合理選擇基材的純度與粒度，綜合考慮激光的功率、光斑尺度、掃描速率和送粉量、防氧化保護(hù)等技術(shù)參數(shù)的適配性，確定正確的熱處理工藝制度，以確保3D打印制備的合金具有納米ODS鋼特征性的微觀結(jié)構(gòu)和預(yù)期的晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果是：
①本發(fā)明為制備納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼工件提供了新的技術(shù)途徑，可以同步實(shí)現(xiàn)Y在合金中的過飽和固溶和粉體材料的固體化與致密化，有效地解決了常規(guī)制備方法工藝復(fù)雜、效率低下、產(chǎn)品純凈度波動(dòng)大(導(dǎo)致性能波動(dòng)大)、材料利用率低等缺點(diǎn)，為納米結(jié)構(gòu)ODS鋼作為核燃料包殼材料的實(shí)用化提供新技術(shù)途徑。
②采用本發(fā)明所述方法制備的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件，工件中的宏觀、微觀偏析與疏松有明顯改善，殘余應(yīng)力減小，因此與常規(guī)方法制備的納米結(jié)構(gòu)ODS鋼相比，本發(fā)明制備的納米ODS鋼構(gòu)件的力學(xué)性能特別是高溫強(qiáng)度與韌、塑性均有所提高。
③采用本發(fā)明所述方法制備的合金構(gòu)件中不會(huì)出現(xiàn)明顯織構(gòu)，因此材料的性能沒有明顯的方向性，不再需要復(fù)雜的后續(xù)熱機(jī)械處理，這對(duì)于納 米結(jié)構(gòu)ODS鋼使用形態(tài)最多的管材的應(yīng)用十分有利。
具體實(shí)施方式
用3D打印技術(shù)直接制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的具體實(shí)施步驟為：
①制作擬制備的工件樣品→對(duì)樣品進(jìn)行三維掃描→獲得工件的3D模型；
②將3D模型輸入3D打印設(shè)備→文件轉(zhuǎn)換→分層切片得到每層截面輪廓；
③3D打印成形：2D薄片層的成形→逐層疊加成3D工件；
④后續(xù)熱處理。
下面的所有實(shí)施例中，輸送保護(hù)氣體Ar的管路以螺旋狀通過填充有干冰的冷阱，使保護(hù)氣體在到達(dá)位于激光光斑附近的出口位置時(shí)其溫度接近-78℃。
實(shí)施例1
制備納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼薄壁管合金組成為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)wt％，下同)Fe-9Cr-1W-0.5Zr-0.3Ti-0.3Y-0.1Al-0.2Ta。按合金組成元素配置混合金屬粉作為基材。
3D打印的激光功率1.6kW，光斑直徑500μm，掃描速度380mm/min；送粉Ar氣流量1.3升/min，保護(hù)Ar氣流量1.5升/min，激光熔覆的單層厚度～220μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止3D打印。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝850℃，故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝900℃，保溫時(shí)間55min，熱處理完成后水冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為馬氏體組織，致密度～理論 密度，析出相主要是尺度2～10nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.8×1024/m3。室溫屈服強(qiáng)度達(dá)到1183MPa，延伸率15％，優(yōu)于常規(guī)方法制備的同樣成分的ODS鋼的相應(yīng)指標(biāo)(見對(duì)比例1)。
實(shí)施例2
制備納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼厚壁管合金組成為Fe-8Cr-2W-0.9Ti-0.2Zr-0.4Y-0.1Al-0.2Ta-0.1V-0.1Mn-0.1C。按合金成分制備霧化合金粉(平均粒徑121μm)，作為3D打印的基材。
3D打印的激光功率2.5kW，光斑直徑580μm，掃描速度150mm/min，送粉氣體流量1.0升/min，保護(hù)Ar氣流量1.5升/min，激光單層熔覆厚度260μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止3D打印。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝860℃，故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝910℃，保溫時(shí)間55min，熱處理完成后水冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為馬氏體，致密度～理論密度，析出相主要是尺度2-10nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.4×1024/m3。
實(shí)施例3
制備納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體/鐵素體雙相鋼中厚壁管合金組成為Fe-12Cr-2W-0.3Ti-0.3Zr-0.8Y-4Al-0.3V-0.1Ta-0.4Mn-0.1N。按合金組成元素配置金屬粉混合成基材。
3D打印的激光功率2.5kW，光斑直徑550μm，掃描速度300mm/min， 送粉氣體流量1.5升/min；保護(hù)氣體流量2.0升/min，激光熔覆的單層厚度260μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止打印。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝910℃，故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝960℃，保溫時(shí)間49min，熱處理完成后空冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為馬氏體/鐵素體雙相，致密度～理論密度，析出相主要是尺度2-10nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.3×1024/m3。
實(shí)施例4
制備納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體/鐵素體雙相鋼中厚矩形管(管截面長(zhǎng)×寬×厚＝50×40×12mm)，合金組成為Fe-11Cr-4W-0.5Ti-0.7Zr-0.5Y-2Al-0.2Ta-0.1Mn-0.5V-0.1N。按合金組成元素配置混合金屬粉作為基材。
3D打印的激光功率3.0kW，光斑直徑600μm，掃描速度250mm/min，送粉氣體流量1.1升/min；保護(hù)氣體流量1.8升/min，激光熔覆的單層厚度280μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止打印。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS馬氏體/鐵素體雙相鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝940℃，達(dá)到納米析出相最大值的時(shí)間45分鐘。故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝990℃，保溫時(shí)間52min，熱處理完成后空冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，矩形管材的合金組織為馬氏體/鐵素體雙相，致密度～理論密度，析出相主要是尺度2-10nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.4×1024/m3。
實(shí)施例5
制備納米結(jié)構(gòu)ODS鐵素體鋼厚壁管合金成分為Fe-14Cr-2W-0.3Ti-0.6Zr-0.3Y-0.1Al-0.2Ta。按合金組分制備母合金，再用霧化設(shè)備制成霧化合金粉(平均粒徑110μm)作基材。
3D打印的激光功率4.0kW，光斑直徑700μm，掃描速度200mm/min，送粉氣體流量1.5升/min，保護(hù)氣體流量2.0升/min，激光熔覆的單層厚度290μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止3D打印。根據(jù)試驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS鐵素體鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝850℃。故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝900℃，保溫時(shí)間50’。熱處理完成后空冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為鐵素體，致密度～理論密度，析出相主要是尺度2-5nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.7×1024/m3。合金致密度和析出相密度等組織結(jié)構(gòu)特征均優(yōu)于用3D打印但不添加Zr、不使用冷阱制備的合金工件(見對(duì)比例2)。
實(shí)施例6
制備納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體鋼薄壁管合金組成為Fe-19Cr-1W-0.5Ti-0.5Y-0.4Zr-0.4Al-0.2Ta-0.3V-0.1C-0.1N。
按合金組成元素配置混合金屬粉作為基材。3D打印的激光功率2.0kW，光斑直徑500μm，掃描速度200mm/min，送粉氣體流量1.0升/min，保護(hù)氣體流量2.0升/min，激光熔覆的單層厚度240μm。當(dāng)工件長(zhǎng)度達(dá)到50cm時(shí)停止3D打印。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和常規(guī)工藝制備的納米結(jié)構(gòu)ODS鐵素體鋼的測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)成分的T0＝830℃，達(dá)到納米析出相最大值的時(shí)間48 分鐘。故本實(shí)施例采用的熱處理溫度T＝880℃，保溫時(shí)間48min，熱處理完成后空冷。切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為鐵素體組織，致密度～理論密度，析出相主要是尺度2-10nm的富Y-Ti-O、Y-Zr-O、Y-Al-O系氧化物析出相，析出相密度～2.8×1024/m3。
對(duì)比例1：
按照現(xiàn)有常規(guī)方法制備納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化馬氏體鋼。合金成分同實(shí)施例1但不含Zr。按照合金的組成，將純金屬粉與質(zhì)量百分比0.3的Y2O3粉混合置于行星式高能球磨機(jī)中，在Ar保護(hù)下球磨70小時(shí)后將合金粉(過飽和粉體合金)封入包套，在熱等靜壓機(jī)中進(jìn)行溫度1100℃，保溫時(shí)間60分鐘的粉體合金熱固體化處理。較高的熱等靜壓溫度是為了達(dá)到致密化的效果。經(jīng)檢測(cè)，致密度～98％理論密度，合金組織為馬氏體，具有高度彌散的、大多為尺度2-10nm的富Y-Ti-O氧化物及少量粗大的Y-Al-O析出相，密度3.2×1023/m3。此外還觀察到極少數(shù)尺度為幾十納米到幾百個(gè)納米富Cr/Ti粗大氧化物，室溫屈服強(qiáng)度為1050MPa，延伸率為10％。
對(duì)比例2：
使用的基材成分、3D打印的工藝參數(shù)和后續(xù)熱處理參數(shù)均與實(shí)施例5相同，但合金組成中不含Zr、保護(hù)氣體未經(jīng)冷阱冷卻。制備完成后切取試樣經(jīng)電鏡檢測(cè)表明，管材的合金組織為鐵素體，致密度～99％理論密度，析出相除高度彌散分布的尺度2-10nm的富Y-Ti-O系氧化物外，還有尺度幾十納米的較粗大的Y-Al-O系氧化物及少量尺度為幾十納米到幾百個(gè)納米的 粗大Cr/Ti氧化物，析出相密度8.9×1021/m3。致密度與析出相密度等指標(biāo)均低于按照本項(xiàng)申請(qǐng)進(jìn)行3D打印所制備工件的水平(見實(shí)施例5)，表明了Zr的添加和冷阱的使用對(duì)于用3D打印技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)ODS鋼工件的重要性。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。