專利名稱：納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金鋼粉末的制備方法，尤其是一種納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法。
背景技術(shù)：
具有使用溫度高、屈服強(qiáng)度高、高溫蠕變性能好、優(yōu)良的抗輻射硬化、腫脹和脆性性能的氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)合金鋼已成為快增殖堆及聚變堆的結(jié)構(gòu)材料中非常有前途的候選材料。在ODS合金鋼中，基于氧化物彌散相如氧化釔(Y2O3)的粒度和粒子的分布是決定材料性能的關(guān)鍵因素，因此，人們?yōu)榱双@得較高品質(zhì)的ODS合金鋼，作了一些嘗試和努力，如在2009年10月出版的《粉末冶金技術(shù)》第27卷第5期“制備Y2O3彌散鐵素體合金粉末方法的研究”一文中，就介紹了一種先采用氮?dú)忪F化方法獲得Fe-Cr-Ti-W-V合金粉末，再使用熔膠-凝膠法向合金中添加Y2O3顆粒的制備ODS鐵素體合金的方法。然而，這種制備方法 雖可獲得Y2O3顆粒分布均勻、直徑在50nm以下的顆粒約占總數(shù)的50%、顆粒的平均圓度為
I.25的基本圓形的粉體，卻也有著不盡人意之處，首先，前驅(qū)體粉末——Fe-Cr-Ti-W-V合金粉末因需歷經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉預(yù)母合金錠、鍛造成圓棒、扒皮打磨、氮?dú)忪F化制粉的過程才能得到，故既耗能，又費(fèi)時、費(fèi)力；其次，在將合金粉末混合在Y (NO3) 3溶膠中形成混合物來制備ODS鐵素體合金時，由于合金粉末不能與有機(jī)絡(luò)合劑有效地絡(luò)合而無法形成均勻的膠體，不僅使最終產(chǎn)物中Y2O3的大小不均勻，使其粒徑的分散性過大，還因Y2O3的大小主要分散于50nm左右而使其粒徑過于偏大，從而影響了最終產(chǎn)物的力學(xué)性能。因為，當(dāng)Y2O3彌散相含量一定時，ODS合金的性能取決于彌散相質(zhì)點(diǎn)的大小和分布,根據(jù)彌散強(qiáng)化的Orowan機(jī)
制，硬質(zhì)彌散相的強(qiáng)化效果可以用公式r = 0.2G化來描述，式中的G是切變模量、
λ 2b
b是柏氏矢量、φ是第二相的含量、λ是質(zhì)點(diǎn)的間距、h是質(zhì)點(diǎn)的大??；可見，對強(qiáng)化效果起主導(dǎo)作用的是質(zhì)點(diǎn)的間距λ。彌散相足夠小且均勻分散時，將縮小彌散質(zhì)點(diǎn)的間距入，從而提高對位錯運(yùn)動的阻力，有利于材料力學(xué)性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種節(jié)能、省時，目標(biāo)產(chǎn)物中氧化釔顆粒的尺寸更小的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法。為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法包括溶膠-凝膠法，特別是完成步驟如下步驟1，先將乙二胺四乙酸(EDTA)和硝酸鉻(Cr (NO3)39Η20)加入水中，于50 60°C下攪拌至少12h，其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為I. 8 2. 2 : O. 8 1.2 800 1200，得到混合液，再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵(Fe(N03) 39H20)、仲鎢酸銨(H42NltlO42W12)、硝酸釔(Y(N03) 33H20)和鈦酸四丁酯((013(012)30)411)，并于60 701下攪拌至少3h，其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為 O. 8 I. 2 13 15 4. 5 6. O O. 0020 O. 0035 O. 0033 O. 0330 O. 015 O. 050，得到溶膠;步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于70 80°C下攪拌至形成凝膠，其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為O. 8 I. 2 O. 004 O. 008，得到凝膠；步驟3，先依次將凝膠置于100 120°C下干燥至少12h、300 600°C下焙燒4 5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末，再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1100 1300°C下煅燒至少3h，制得納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末；該合金鋼粉末由鉻(Cr)、鎢(W)、鈦(Ti)和氧化釔(Y2O3)以及鐵(Fe)組成，其中，合金鋼粉末中的鉻、鎢、鈦和氧化釔之間的重量百分比為12 14% 2 3% : O. 2 0.5% O. I 1.0%，其余為鐵，合金鋼粉末為顆粒狀或圓柱狀，顆粒狀的粒徑為I 10 μ m,圓柱狀的柱直徑為2 5 μ m、柱長為5 10 μ m,氧化乾均勻彌散分布于鉻、鶴、鈦和鐵組成的基體中，其為長軸為15 20nm、短軸為10 15nm的橢球狀。 作為納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的水為去離子水，或蒸餾水；所述的聚乙二醇為聚乙二醇-20000 ;所述的還原氣氛為流量為O. I O. 3L/min的50%的氫氣和50%的氬氣的混合氣體；所述的煅燒的時間為3 5h。相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，對制得的目標(biāo)產(chǎn)物分別使用掃描電鏡、透射電鏡和X射線衍射儀進(jìn)行表征，由其結(jié)果可知，目標(biāo)產(chǎn)物為由鉻、鎢、鈦和氧化釔以及鐵組成的合金鋼粉末，其中，合金鋼粉末中的鉻、鎢、鈦和氧化釔之間的重量百分比為12 14% 2 3% : O. 2 O. 5% : O. I I. 0%，其余為鐵，合金鋼粉末為顆粒狀或圓柱狀，顆粒狀的粒徑為I 10 μ m,圓柱狀的柱直徑為2 5 μ m、柱長為5 10 μ m,氧化乾均勻彌散分布于鉻、鎢、鈦和鐵組成的基體中，其為長軸為15 20nm、短軸為10 15nm的橢球狀。其二，制備方法既節(jié)能，又省時、省事，極易于大規(guī)模工業(yè)化的實施，還使制得的目標(biāo)產(chǎn)物純度高，各合金元素與氧化釔分散均勻，無其他雜質(zhì)的引入，與現(xiàn)有的共沉淀法、化學(xué)浸潤法、內(nèi)氧化法和溶液浸潤法等化學(xué)法相比，具有氧化釔顆粒更小、更穩(wěn)定的特點(diǎn)。作為有益效果的進(jìn)一步體現(xiàn)，一是水優(yōu)選為去離子水，或蒸餾水，避免了雜質(zhì)的引入，確保了目標(biāo)廣物的品質(zhì)；~.是聚乙~■醇優(yōu)選為聚乙~■醇-20000,利于獲得較聞品質(zhì)的目標(biāo)產(chǎn)物；三是還原氣氛優(yōu)選為流量為O. I O. 3L/min的50%的氫氣和50%的気氣的混合氣體，煅燒的時間優(yōu)選為3 5h，均利于保證目標(biāo)產(chǎn)物的品質(zhì)和質(zhì)量的穩(wěn)定。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖I是對制得的目標(biāo)產(chǎn)物使用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。該SEM照片清晰地顯示出了目標(biāo)產(chǎn)物的形貌，其為顆粒狀或圓柱狀。圖2是對制得的目標(biāo)產(chǎn)物使用X射線衍射(XRD)儀進(jìn)行表征的結(jié)果之一。該XRD譜圖中的三條曲線為采用不同的原料配比制得的目標(biāo)產(chǎn)物的XRD譜線，對于這三條譜線，其在XRD譜圖中只有鐵、鉻組分的峰，而鎢組分(<3%質(zhì)量分?jǐn)?shù))已溶解于鐵晶格中，鈦、氧化釔因其含量少于1%而在XRD譜線中也無法有效地顯示出來，它證實了目標(biāo)產(chǎn)物中的氧化鐵、氧化鉻、氧化鎢完全被還原，得到的是含有氧化釔的純相ODS合金粉末。
圖3是對制得的目標(biāo)產(chǎn)物使用掃描電鏡附帶的能譜(EDS)測試儀進(jìn)行表征的結(jié)果之一。其中，圖3a為目標(biāo)產(chǎn)物的SEM照片，其顯示的為目標(biāo)產(chǎn)物中一個粒徑為40 μ m的團(tuán)聚體；圖3b 圖3f為對圖3a所示的團(tuán)聚體進(jìn)行能譜面掃的EDS譜圖，其分別對應(yīng)鐵(Fe)、鉻、(Cr)、鎢(W)、鈦(Ti)、釔(Y)元素在團(tuán)聚體中的分布情況。由圖3b 圖3f可看出，制得的目標(biāo)產(chǎn)物中的Fe、Cr、W、Ti、Y各元素成分在團(tuán)聚體中均勻分布，無明顯的偏析現(xiàn)象；同時，釔元素的均勻分布也說明了氧化釔在合金基體中是呈高彌散分布的。圖4是對制得的目標(biāo)產(chǎn)物中的一個氧化釔顆粒使用透射電鏡(TEM)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。由該高分辨率的TEM照片中可看出，氧化釔顆粒呈橢球形，其長軸為20nm、短軸為15nm。結(jié)合圖3中釔元素的高彌散分布，其證明了使用本專利申請的技術(shù)方案制備得到的目標(biāo)產(chǎn)物為納米尺度高彌散的氧化釔強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。
具體實施例方式首先從市場購得或用常規(guī)方法制得
乙二胺四乙酸；硝酸鉻；作為水的去離子水和蒸餾水；檸檬酸；硝酸鐵；仲鎢酸銨；硝酸釔；鈦酸四丁酯；聚乙二醇-20000 ;作為還原氣體的氫氣和氬氣。接著，實施例I制備的具體步驟為步驟1，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于50°C下攪拌16h ;其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為1.8 0.8 800，水為去離子水，得到混合液。再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于60°C下攪拌5h ;其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為
O.8 13 4. 5 O. 0020 O. 0033 O. 015，得到溶膠。步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于70°C下攪拌至形成凝膠；其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為O. 8 : O. 004，聚乙二醇為聚乙二醇-20000，得到凝膠。步驟3，先依次將凝膠置于100°C下干燥14h、300°C下焙燒5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末。再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1100°C下煅燒5h ;其中，還原氣氛為流量為O. lL/min的50%的氫氣和50%的氬氣的混合氣體，制得近似于圖I、圖3和圖4所示，以及如圖2中的曲線所示的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。實施例2制備的具體步驟為步驟1，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于53°C下攪拌15h ;其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為I. 9 0.9 900，水為蒸餾水，得到混合液。再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于63°C下攪拌4. 5h ;其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為O. 9 13.5
:4.9 : O. 0024 O. 0113 O. 024，得到溶膠。步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于73°C下攪拌至形成凝膠；其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為0.9 O. 005，聚乙二醇為聚乙二醇-20000，得到凝膠。步驟3，先依次將凝膠置于105°C下干燥13. 5h、380°C下焙燒4. 5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末。再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1150°C下煅燒4. 5h ;其中，還原氣氛為流量為O. 15L/min的50%的氫氣和50%的氬氣的混合氣體，制得近似于圖I、圖3和圖4所示，以及如圖2中的曲線所示的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。實施例3制備的具體步驟為步驟1，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于55°C下攪拌14h ;其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為2 I 1000，水為去離子水，得到混合液。再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于65°C下攪拌4h ;其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為I 14 5. 3 O. 0028 O. 0183 O. 033，得到溶膠。步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于75°C下攪拌至形成凝膠；其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為I : O. 006，聚乙二醇為聚乙二醇-20000，得到凝膠。 步驟3，先依次將凝膠置于110°C下干燥13h、450°C下焙燒5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末。再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1200°C下煅燒4h ;其中，還原氣氛為流量為O. 2L/min的50 %的氫氣和50 %的氬氣的混合氣體，制得如圖I、圖3和圖4所示，以及如圖2中的曲線所示的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。實施例4制備的具體步驟為步驟1，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于58°C下攪拌13h ;其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為2. I I. I 1100，水為蒸餾水，得到混合液。再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于68°C下攪拌3. 5h ;其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為I. I 14 5 : 5.7 : O. 0032 O. 0263 O. 042，得到溶膠。步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于78°C下攪拌至形成凝膠；其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為1.1 O. 007，聚乙二醇為聚乙二醇-20000，得到凝膠。步驟3，先依次將凝膠置于115°C下干燥12. 5h、430°C下焙燒4. 5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末。再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1250°C下煅燒3. 5h ;其中，還原氣氛為流量為O. 25L/min的50%的氫氣和50%的氬氣的混合氣體，制得近似于圖I、圖3和圖4所示，以及如圖2中的曲線所示的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。實施例5制備的具體步驟為步驟1，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于60°C下攪拌12h ;其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為2. 2 1.2 1200，水為去離子水，得到混合液。再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于70°C下攪拌3h ;其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為
I.2 15 6. O O. 0035 O. 0330 O. 050，得到溶膠。步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于80°C下攪拌至形成凝膠；其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為1.2 O. 008，聚乙二醇為聚乙二醇-20000，得到凝膠。步驟3，先依次將凝膠置于120°C下干燥12h、600°C下焙燒4h，得到前驅(qū)體氧化物粉末。再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1300°C下煅燒3h ;其中，還原氣氛為流量為O. 3L/mi η的50%的氫氣和50%的氬氣的混合氣體，制得近似于圖I、圖3和圖4所示，以及如圖2中的曲線所示的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明 的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法，包括溶膠-凝膠法，其特征在于完成步驟如下 步驟I，先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于50 60°C下攪拌至少12h，其中，乙二胺四乙酸、硝酸鉻和水之間的摩爾比為I. 8 2. 2 O. 8 I. 2 800 1200，得到混合液，再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于60 70V下攪拌至少3h，其中，混合液中的硝酸鉻和檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔、鈦酸四丁酯之間的摩爾比為 O. 8 I. 2 13 15 4. 5 6. O O. 0020 O. 0035 O. 0033 O.0330 O. 015 O. 050，得到溶膠; 步驟2，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于70 80°C下攪拌至形成凝膠，其中，溶膠中的硝酸鉻和聚乙二醇之間的摩爾比為O. 8 1.2 O. 004 O. 008，得到凝膠； 步驟3，先依次將凝膠置于100 120°C下干燥至少12h、300 600°C下焙燒4 5h，得到前驅(qū)體氧化物粉末，再將前驅(qū)體氧化物粉末置于還原氣氛中，于1100 1300°C下煅燒至少3h，制得納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末； 該合金鋼粉末由鉻、鎢、鈦和氧化釔以及鐵組成，其中，合金鋼粉末中的鉻、鎢、鈦和氧化釔之間的重量百分比為12 14% : 2 3%: O. 2 O. 5%: O. I I. 0%，其余為鐵，合金鋼粉末為顆粒狀或圓柱狀，顆粒狀的粒徑為I 10 μ m,圓柱狀的柱直徑為2 5 μ m、柱長為5 10 μ m,氧化釔均勻彌散分布于鉻、鶴、鈦和鐵組成的基體中，其為長軸為15 20nm、短軸為10 15nm的橢球狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法，其特征是水為去離子水，或蒸餾水。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法，其特征是聚乙二醇為聚乙二醇-20000。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法，其特征是還原氣氛為流量為O. I O. 3L/min的50%的氫氣和50%的気氣的混合氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法，其特征是煅燒的時間為3 5h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米氧化釔顆粒彌散強(qiáng)化鐵素體合金鋼粉末的制備方法。它先將乙二胺四乙酸和硝酸鉻加入水中，于50～60℃下攪拌至少12h，得到混合液，再向混合液中加入檸檬酸、硝酸鐵、仲鎢酸銨、硝酸釔和鈦酸四丁酯，并于60～70℃下攪拌至少3h，得溶膠；然后，先向溶膠中加入聚乙二醇，并于70～80℃下攪拌至形成凝膠；最后，先依次將凝膠置于100～120℃下干燥至少12h、300～600℃下焙燒4～5h，得前驅(qū)體氧化物粉末，再將其置于還原氣氛中，于1100～1300℃下煅燒至少3h，制得其中的鉻、鎢、鈦和氧化釔間重量百分比為12～14％∶2～3％∶0.2～0.5％∶0.1～1.0％，其余為鐵的、氧化釔均勻彌散分布于鉻、鎢、鈦和鐵組成的基體中的目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)物可用于快增殖堆及聚變堆中。
文檔編號B82Y30/00GK102814503SQ20111015448
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者孫欽星, 張濤, 王先平, 方前鋒, 郝汀, 劉長松 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院