9cr-ods鋼熱變形工藝及熱變形的控制

1大應變量在不銹鋼自低激活鐵素體和馬氏體鋼被用作聚變反應層的重要結構候選人材料。低活化材料是指經過若干年輻照后其放射性主要來自于短壽命或中等壽命放射性核素,因此,合金材料放置300年后其放射性水平能滿足手工處置條件。然而,由于低活化鋼高溫力學性能較差,限制了其使用溫度應低于550℃。氧化物彌散強化(ODS)被認為是最有前途的提高材料使用溫度范圍的技術,ODS是指通過機械合金化技術使合金基體中彌散分布著高穩定性的納米氧化物顆粒,該納米氧化物顆粒可以強烈阻礙位錯運動,可顯著提高材料的力學性能。ODS鋼與同類熔煉鋼相比具有的優點是:晶粒更加細小,且在較高溫度下晶粒長大不明顯;由于納米氧化物顆粒的均勻分布,材料表現出優良的力學性能,尤其是高溫性能。目前ODS鐵素體/馬氏體鋼的研究主要集中在日本、歐盟、韓國以及印度等。歐洲的ODSEurofer97鋼研究最早且最為成熟,主要是采用高能球磨機機械合金化、熱等靜壓(HIP)成形、熱軋和熱處理等技術制備。中國關于9Cr低活化鋼的研究已經相當成熟,但是關于9Cr-ODS鋼方面的研究還沒有相關結果,因此對9Cr-ODS鋼的制備及其拉伸性能的研究具有一定的實際意義。2cr-ods合金粉的制備原料為采用真空感應熔煉和氮氣霧化方法制備的成分為Fe-9Cr-1.5W-0.15Si的預合金粉;預合金粉再添加質量分數為0.5%的Ti和0.35%的Y2O3,并采用機械合金化的方法制備9Cr-ODS合金粉。實驗設備為行星式球磨機,球料比為10∶1,保護氣氛為高純氬氣,球磨機轉速為330r/min,球磨時間30h。將制備出的9Cr-ODS合金粉在110MPa、1150℃保溫2h的條件下HIP成形燒結,之后進行熱加工處理。具體的工藝參數:(1)鍛造工藝:始鍛溫度為1150℃,終鍛溫度大于1000℃,鍛造比為3∶1。(2)軋制工藝:軋制溫度為1050℃,總的變形量為60%,共分3個道次,每道次的變形量分別為10%、20%、30%。(3)退火溫度為750℃,保溫1h,冷卻方式為爐冷;淬火溫度為1050℃,保溫30min,冷卻方式為水冷;回火溫度為750℃,保溫1h,冷卻方式為空冷。對得到的樣品進行密度和拉伸測試。根據HB5195—96,將試樣加工成圓形比例拉伸試樣,分別進行室溫、700℃的拉伸實驗,然后對拉伸結果進行分析,同時對拉伸試樣的斷口形貌進行掃描電鏡觀察。3結果與分析3.1拉伸試驗結果9Cr-ODS鋼經HIP成形燒結后,首先對材料進行退火處理。利用排水法對樣品進行密度測試,測得密度為7.65g/cm3,理論密度為7.92g/cm3,結果表明材料沒有完全致密化,材料內部殘存有部分的缺陷,為消除材料內部缺陷,提高材料的致密化程度,對材料進行鍛造、軋制等熱變形加工處理。鍛造、軋制之后材料的密度分別為7.79g/cm3、7.78g/cm3,表明經過鍛造、軋制等熱變形加工后,材料的致密度得到提高,內部缺陷得到消除,材料的性能得到改善。HIP后的9Cr-ODS鋼經過熱加工處理后樣品的室溫拉伸結果(圖1至圖3)為:HIP退火處理、HIP鍛造退火處理、HIP鍛造淬火回火處理、HIP軋制淬火回火處理的室溫屈服強度分別為900、825、835、815MPa,室溫抗拉強度分別為1050、990、955、965MPa,室溫斷后延伸率分別為6.5%、14%、16%、16.5%。室溫拉伸結果表明9Cr-ODS鋼熱加工處理后,可以在保證材料較高強度的前提下,大幅度改善材料的塑性。這主要是由于鍛造、軋制提高了材料的致密度,消除了材料內部的缺陷,使材料的組織變得更加致密,從而提高了材料的塑性。拉伸實驗溫度為700℃的高溫拉伸結果(圖4和圖5)為:HIP退火處理、HIP鍛造退火處理、HIP軋制淬火回火處理的屈服強度分別為285、220、225MPa,抗拉強度分別為300、275、260MPa,斷后延伸率分別為17%、32.5%、40%,斷面收縮率分別為32.5%、45%、63%。700℃拉伸結果與室溫拉伸結果相比,9Cr-ODS鋼的高溫抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢,但塑性升高。與文獻相比,本實驗制備的9Cr-ODS鋼室溫拉伸強度高于ODSEurofer97鋼,經鍛造和軋制及熱處理的9Cr-ODS鋼塑性優于ODSEurofer97鋼。在700℃高溫拉伸下9Cr-ODS鋼強度與ODSEurofer97鋼接近,經過鍛造和軋制及熱處理的9Cr-ODS鋼塑性優于ODSEurofer97鋼。3.2cr-ods鋼的斷口從圖6的宏觀斷口形貌可以看出,9Cr-ODS鋼的斷裂方式均為韌性斷裂,拉伸斷口由纖維區、放射區和剪切唇3個區域組成。經過鍛造處理之后,拉伸試樣的斷口可以看到明顯的鍛造取向。從圖7斷口上可以看到遍布的韌窩,HIP退火后,韌窩的大小不均,經過鍛造和軋制后的9Cr-ODS鋼拉伸斷口有明顯的取向,并且韌窩也變得更加細小均勻。韌窩的大小決定于第二相質點的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應變硬化指數,以及外加應力的大小和狀態等。綜上分析可以看出,9Cr-ODS鋼的斷裂方式為韌性斷裂,經過鍛造或軋制處理后,拉伸斷口上韌窩細小且分布更加均勻,材料的塑性也更好。4對9cr-ods鋼材料的改性(1)采用機械合金化、HIP以及熱變形加工的方法制備9Cr-ODS鋼。(