14CrODS鐵素體鋼的制備及其拉伸性能

廖 璐，周張健，李 明

（北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083）

14CrODS鐵素體鋼的制備及其拉伸性能

廖 璐，周張健，李 明

（北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083）

通過機械合金化制備了成分（質量分數／%）為Fe－14Cr－0.5Ti－0.35Y2O3的氧化物彌散強化合金粉末，機械合金化后粉末內部各合金元素分布均勻。采用熱等靜壓的方法制得14CrODS鐵素體鋼，并對其進行鍛造和熱處理。與未添加氧化物彌散顆粒的14CrNA相比，14CrODS鋼的強度有明顯提高，但是與MA957有一定差距，抗拉強度有待改進；與MA957相比，14CrODS表現出良好的塑性，鍛造可進一步提高14CrODS的高溫塑性，但是鍛造過程中的殘余應力使材料低溫拉伸時呈脆性，退火可去除殘余應力，極大地提高14CrODS的塑性，使其遠優于MA957。

氧化物彌散強化；機械合金化；熱等靜壓；拉伸性能

鐵素體鋼通常是指Cr含量在12%～30%（質量分數，下同）范圍內的一類不銹鋼，它們在任何溫度下基本都是鐵素體結構［1］。對于金屬來說，產生不可恢復的塑性變形主要靠的是位錯滑移，因此凡是能使位錯運動受阻的方法都能提高其強度。氧化物彌散強化（Oxide Dispersion Strengthened，ODS）鐵素體鋼一般通過機械合金化（Mechanical Alloying，MA）技術使合金基體中彌散分布高穩定性的納米Y2O3顆粒而獲得。納米級的Y2O3顆粒不僅可以阻礙位錯的運動，而且可以通過限制陽離子的擴散來阻止合金表面氧化層的增長，提高合金表面氧化層與基體的結合力。因此，ODS化除了提高合金的高溫強度外，還可以進一步改善合金的抗氧化、耐腐蝕能力［2，3］。

與傳統的鐵素體／馬氏體鋼相比，ODS鐵素體鋼具備兩個重要性能：（a）具有高輻照穩定性、高抗腫脹性及抗輻照蠕變性；（b）由于納米氧化物顆粒的均勻分布，表現出優異的高溫強度［4，5］。因此，ODS鐵素體鋼具有更高的溫度適用范圍，適用于更為苛刻的服役環境，其應用范圍也在逐年擴大，包括先進航空發動機、燃氣輪機的耐高溫抗氧化部件，核反應堆包殼管，冶金、汽車、石化、玻璃等行業的耐高溫抗腐蝕材料［2］。Cr含量高于13%時可有效提高ODS鋼的抗氧化和耐腐蝕能力，但是Cr含量過高又會引起熱老化脆化的問題，因此，ODS鋼中Cr含量的添加有一定限度［6］。

本工作采用MA及熱等靜壓的方法，結合后續變形加工和熱處理制備了Cr含量為14%的ODS鐵素體鋼，并對其拉伸性能進行研究。

1 實驗方法

以真空感應熔煉和氮氣霧化方法制備的預合金粉（Nitrogen Gas Atomized Pre－alloyed Powder，NA）為原料，采用高能球磨，將霧化粉（≤74μm）與納米Y2O3（平均粒度為30nm）進行機械合金化混合處理。機械合金化的參數為球料比10∶1，以高純氬氣作保護氣氛，在380r／min的轉速下球磨30h，得到14Cr ODS粉末。實驗中所用粉末主要成分如表1所示。

表1 實驗中所用粉末主要成分（質量分數／%）Table 1 Nominal chemical composition of powders（mass fraction／%）

采用熱等靜壓的方法對獲得的機械合金化粉末進行燒結，HIP的參數為1150℃×3h，70MPa。為了進行對比，對霧化粉也進行相同條件的熱等靜壓燒結。對熱等靜壓后的14CrODS進行鍛造，始鍛溫度為1250℃，終鍛溫度為1150℃，然后在1100℃進行2h的退火處理。

采用配有能譜儀（EDS）的LEO－1450型掃描電鏡（SEM）觀察粉末的微觀表面形貌和內部元素分布情況，采用惰氣脈沖紅外熱導法（ASTME1019—2005）測定粉體中的氧含量。根據GB／T 4338—1995，將熱等靜壓樣品加工成φ4mm圓形比例試樣，分別進行室溫，400，600℃和700℃四個溫度的拉伸實驗，對強度指標和塑性指標進行分析，比較拉伸性能，并用場發射掃描電鏡（FEM）觀察拉伸斷口的形貌。

2 實驗結果及分析

2.1 粉體表征

2.1.1 粉末形貌

圖1為原始霧化粉和機械合金化所得粉末的形貌照片。可以看出，原始霧化粉NA的表面形貌呈圓形，經機械合金化30h后，粉末發生明顯的破碎現象，未發生團聚。ODS粉末內部各合金元素分布的均勻程度直接影響材料的力學性能，為探究球磨后14CrODS粉末內部元素的分布情況，驗證球磨的效果，采用EDS對粉末截面進行面掃描分析，如圖2所示，Fe，Cr，W，Ti，Y各合金元素在粉體內分布均勻，未發生明顯偏聚現象。

高能球磨過程中，大量的碰撞現象發生在球－粉末－球之間，被捕獲的粉末在碰撞作用下發生嚴重的塑性變形，使粉末受到兩個碰撞球的“微型”鍛造作用，強制反復進行粉末的冷焊—斷裂—冷焊過程，實現機械合金化［7］。結合圖1和圖2可知，采用霧化粉為原料球磨30h后，已經達到機械合金化的效果。

2.1.2 粉體氧含量

粉末中的過量氧含量（即不包括Y2O3結合的氧）是評價機械合金化效果的一個重要依據，如果球磨中引入了過多的氧，所形成的氧的夾雜物對后續的致密化和力學性能都將產生不利的影響［8］。對球磨前后的粉末氧含量進行了測定，原始霧化粉NA中氧含量為0.047%，球磨后ODS粉中氧的總含量為0.31%（含Y2O3）。通過計算可知，球磨過程中純引入氧含量為0.189%，因此，需對粉體采取一定的保護措施，降低球磨過程中引入的氧含量。

2.2 拉伸實驗

2.2.1 拉伸性能分析

熱等靜壓后的14CrNA及14CrODS的規定非比例延伸強度及抗拉強度如圖3所示，斷后伸長率如圖4所示。為進行比較，給出了商用鋼MA957［9］的拉伸數據。

圖3 14Cr鋼的拉伸強度比較 （a）0.2%規定非比例延伸強度；（b）抗拉強度Fig.3 Comparison of tensile strength on 14Cr steels （a）0.2%proof strength；（b）ultimate tensile strength

圖4 14Cr鋼的斷后伸長率比較Fig.4 Results of elongation on 14Cr steels

由圖3可以看出，隨著溫度升高，兩種材料的非比例延伸強度和抗拉強度都呈下降趨勢，在400℃下，NA樣品的規定非比例延伸強度和抗拉強度與室溫下基本保持一致，超過400℃后強度急劇下降，而ODS樣品整體下降相對較為穩定，沒有出現驟降趨勢。在整個溫度測試范圍內，ODS樣品的強度明顯高于NA樣品，在700℃時，無論是非比例延伸強度還是抗拉強度，ODS樣品均比NA樣品高出約一倍，說明納米氧化物顆粒確實可以起到彌散強化的作用，使ODS鋼具有優異的高溫強度。

700℃拉伸實驗時，商用鋼 MA957（Fe－14Cr－1Ti－0.25Y2O3）的規定非比例延伸強度為402.7MPa，抗拉強度為423.4MPa。與未添加氧化物彌散顆粒的14CrNA相比，本實驗制備的14CrODS鋼，強度有明顯提高，但是與MA957有一定差距，抗拉強度有待改進。

從圖4中看出，NA樣品的斷后伸長率隨實驗溫度升高增加，且高溫拉伸時增長迅速；ODS樣品的斷后伸長率隨實驗溫度升高先略微下降，而后增加，趨勢較為緩慢，分析得出，ODS樣品室溫下塑性優于NA樣品，但高溫塑性不甚理想。由于NA室溫下的斷后伸長率小于5%，表現為脆性斷裂，所以在室溫拉伸實驗時，NA的非比例延伸強度明顯低于ODS，在數值上大約只有ODS的一半。

與MA957相比，14CrODS表現出良好的塑性。500℃之前，14CrODS鋼的斷后伸長率與MA957基本持平，而700℃高溫拉伸時，斷后伸長率達19.5%，明顯優于MA957。

雖然14CrNA的塑性優于MA，但是與14CrNA相比，高溫塑性不甚理想。為進一步提高14CrODS的塑性，對其進行鍛造，將鍛造后的14CrODS做室溫及700℃拉伸實驗。室溫時，14CrODS鐵素體鋼表現為典型的脆性斷裂，因此未有其室溫拉伸時非比例延伸強度及斷后伸長率的數據。從圖3（b）中可以看出，鍛造后14CrODS的室溫拉伸強度顯著提高，比未鍛造前增加34%，如此高的拉伸強度可能源于鍛造時的殘余應力，致使室溫拉伸表現為脆斷；700℃時，14CrODS的強度（圖3）基本沒有變化，但是塑性有所提高（圖4）。

由于鍛造后的14CrODS室溫時表現為明顯脆性，為去除熱加工的殘余應力以提高塑性，對其在1100℃進行2h退火處理。鍛造并退火后的14CrODS只進行了700℃高溫拉伸實驗，從圖3和圖4中可以看出，退火對14CrODS的強度無太大影響，卻極大地提高了14CrODS鐵素體鋼的塑性，使之遠遠超過MA957，但是仍然低于14CrNA。

2.2.2 斷口形貌分析

圖5為室溫拉伸斷口形貌。可以看出，室溫拉伸時，ODS樣品為韌性斷裂，斷口上呈現出三個區域，即纖維區、放射區及剪切唇區，為典型的杯錐狀斷口形貌。試樣在拉伸過程中，裂紋起源于纖維區，經過快速擴展形成放射區，最后擴展到表面時，形成了表面比較平滑的剪切唇，與拉伸應力方向的夾角約為45°，這是在平面應力條件下裂紋作快速不穩定擴展的結果［10］。圖5（b）為剪切唇區高倍放大下的形貌，斷口上遍布韌窩，韌窩較深，大小不均。

圖5 室溫拉伸斷口形貌（a）ODS宏觀形貌；（b）ODS剪切唇區微觀形貌；（c）NA宏觀形貌；（d）NA微觀形貌Fig.5 Fracture surface of samples after tensile tests at room temperature（a）macro－morphology of ODS；（b）micro－morphology of sheer lip about ODS；（c）macro－morphology of NA；（d）micro－morphology of NA

從圖5（c）看出，NA樣品斷口沒有出現頸縮，顏色比較光亮，局部稍有灰暗，屬于脆性斷裂。圖5（d）中看出，NA樣品室溫拉伸斷口上有大量的解理面，具有明顯河流狀花樣和解理臺階，此外，解理面上還可見少量塑性變形的韌窩和撕裂嶺，因此判斷其為穿晶準解理斷口［11］。

圖6為700℃拉伸后試樣的斷口形貌，從圖6（a）看出，ODS樣品斷口并未見明顯頸縮現象，高倍放大后（圖6（b））可見斷口總體上呈現微孔聚集型形貌，韌窩分布比較均勻，尺寸較小。從圖6（c）可看出NA樣品斷口出現明顯的頸縮，疏松多孔，放大后（圖6（d））可見韌窩尺寸大小不均，大韌窩數量明顯多于ODS樣品，有的韌窩尺寸可達30μm。

韌窩的大小和深度取決于材料斷裂時微孔生核數量與材料形變硬化指數值的大小，即取決于析出相質點及夾雜物的形狀、大小、分布和數量，以及材料塑性變形能力和晶粒度［10］。形成圖6（b）中小而多的韌窩花樣，可能緣于促進韌窩成核的第二相粒子尺寸較小且分布密集。而圖6（d）中大小不均的韌窩可能緣于NA的硬化指數大，形變過程中引發更多的小粒子形核，導致先長大的和后長大的韌窩尺寸差別較大。

綜上所述，室溫拉伸時，NA表現為脆斷，ODS為韌斷，因此ODS樣品塑韌性明顯優于NA；700℃拉伸時，NA和ODS均表現為韌性斷裂，但是NA樣品的韌性更好。以上結果與斷后伸長率的數據一致。

圖6 700℃拉伸斷口形貌（a）ODS宏觀形貌；（b）ODS微觀形貌；（c）NA宏觀形貌；（d）NA微觀形貌Fig.6 Fracture surface of samples after tensile tests at 700℃（a）macro－morphology of ODS；（b）micro－morphology of ODS；（c）macro－morphology of NA；（d）micro－morphology of NA

3 結論

（1）采用霧化粉為原料，在380r／min的轉速下球磨30h后，14CrODS粉末內部各合金元素分布均勻，已經達到機械合金化的效果，球磨中引入的氧含量為0.189%，需對粉體進行保護以降低球磨過程中引入的氧含量。

（2）通過機械合金化添加納米Y2O3顆粒，確實可以起到彌散強化的作用。與未添加氧化物彌散顆粒的14CrNA相比，14CrODS鋼的強度有明顯提高。

（3）與 MA957相比，14CrODS表現出良好的塑性，但是高溫塑性不及14CrNA。鍛造可提高14CrODS的高溫塑性，且對強度基本沒有影響，但是鍛造過程中的殘余應力使材料低溫拉伸時呈脆性。

（4）退火可去除鍛造過程中的殘余應力，極大地提高14CrODS的塑性，使其遠優于MA957。

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Preparation and Tensile Properties of 14CrODS Ferritic Steel

LIAO Lu，ZHOU Zhang－jian，LI Ming
（School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

A ODS ferritic steel powder with the chemical composition（mass fraction／%）of Fe－14Cr－0.5Ti－0.35Y2O3was prepared by mechanically alloying（MA），and the element distribution was homogenous.The MA powder was consolidated by hot isostatic pressing（HIP），followed by forging and annealing.Compared to 14CrNA steel without ODS particles，the tensile strength of 14CrODS steel was excellent，but not so good compared with MA957，thus need improvement.The ductility of 14CrODS was much better than MA957，and could be enhanced further by forging.However，residual stress existed during forging，making the 14CrODS steel brittle in room temperature tensile tests.Annealing could remove the residual stress and significantly improve the ductility of 14CrODS，which was more excellent than MA957.

oxide dispersion strengthened（ODS）；mechanical alloying；hot isostatic pressing；tensile property

TG115.5＋2

A

1001－4381（2012）04－0042－05

國家973重點基礎研究發展計劃資助項目 （2007CB209801）

2011－04－28；

2011－12－15

廖璐（1986－），女，碩士研究生，研究方向：氧化物彌散強化鐵素體鋼，聯系地址：北京科技大學材料科學與工程學院特種陶瓷與粉末冶金實驗室（100083），E－mail：lulu＿0734＠126.com

周張健（1972－），男，教授，研究方向：先進核能系統關鍵材料研發，聯系地址：北京科技大學材料科學與工程學院特種陶瓷與粉末冶金實驗室（100083），E－mail：zhouzhj＠mater.ustb.edu.cn