軋制變形量對15Cr氧化物彌散強化鋼顯微組織與力學性能的影響

謝 銳,呂 錚,王 晴,陳劍波,劉春明

(1.沈陽建筑大學材料科學與工程學院,沈陽 110168;2.東北大學材料科學與工程學院,材料各向異性與織構教育部重點實驗室,沈陽 110819)

0 引 言

氧化物彌散強化(ODS)鋼是一種新型核電設備結構材料,其組織中含有大量納米尺寸的氧化物相,具有亞微米級的晶粒尺寸,因此具備優異的輻照穩定性和高溫力學性能[1-2],成為第四代快中子增殖反應堆燃料包殼、先進聚變堆第一壁、事故容錯型燃料棒的領先候選結構材料之一[3-5]。

鉻元素是ODS鋼中最重要的合金元素,可以促進鐵素體的形成[6],且能在材料表面形成致密的Cr2O3層,提高ODS鋼的耐腐蝕性能[7];適量的鉻元素還可以降低材料的韌脆轉變溫度。應用于快堆燃料包殼或聚變堆第一壁中的ODS鋼需要經過軋制工藝進行制管或制板,其軋制性能決定了后期的制管能力。在軋制過程中ODS鋼中的析出相種類及分布規律、微觀形貌和力學性能隨軋制變形量的變化規律目前仍不完全清楚。為此,作者采用熱等靜壓方式制備15Cr-ODS鋼,然后對其進行軋制,研究了軋制過程中試驗鋼的密度變化趨勢以及軋制變形量對其組織、顯微硬度和拉伸性能的影響,以期為15Cr-ODS鋼的生產和后續加工過程積累試驗數據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為鐵(純度高于99.9%)、鎢(純度高于99.8%)、鈦(純度高于99%)、鉻(純度為99.95%)、Y2O3(純度為99.99%)、鋁(純度為99.9%)、鋯(純度為99.5%)等粉末,其中鉻、鎢、鈦、鋯金屬粉末的粒徑均小于75 μm,鐵粉的粒徑小于10 μm,Y2O3粉末的粒徑小于30 μm,鋁粉的粒徑為50 μm,均為市售。按目標合金成分 (質量分數/%)為15Cr-2W-0.3Ti-0.3Y2O3-4.5Al-0.12Zr-Fe進行配料,將配好的原料粉置于FRITSCH Pulverisette5型球磨機中進行球磨,球磨時間為50 h,磨球為直徑分別為3,5,10 mm的軸承鋼球,球料質量比為10…1,主軸轉速為260 r·min-1;在球磨過程中向球磨罐體內部充入高純氬氣并保持正壓狀態,壓力為0.2 MPa。采用鎢燈絲掃描電鏡(SEM)以及配套的背散射電子(BSE)系統觀察合金粉末微觀形貌,采用X′Pert Pro型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成,室溫,銅靶,特征波長為0.154 056 nm,工作電壓為40 kV,采用連續掃描模式,掃描范圍為10°～90°,掃描速率為0.02 (°)·min-1。由圖1可見,球磨后的合金粉末呈不規則形狀,未見明顯的棱角,且合金粉末襯度均勻,XRD譜中只有α-Fe相的衍射峰,說明球磨后各合金元素均已固溶進鐵基體中。

圖1 球磨后合金粉末的SEM形貌、BSE形貌和XRD譜Fig.1 SEM morphology (a), BSE morphology (b) and XRD pattern (c) of alloy powder after ball milling

將球磨后的合金粉末密封于直徑30 mm、深度70 mm的鐵質包套中,抽真空,采用ABB-QIH15型熱等靜壓(HIP)機進行壓制成型,熱等靜壓溫度為1 100 ℃,壓力為200 MPa, 時間為2 h,得到尺寸為60 mm×10 mm×8 mm的15Cr-ODS鋼試樣。采用自制軋制機對試樣在1 000 ℃下進行變形量分別為30%,50%,70%的軋制變形,軋制分多道次進行,每道次軋制變形量為10%,每道次間對試樣進行1 000 ℃×5 min的中間退火。軋制結束后,將試樣在1 000 ℃下保溫1 h,隨爐冷卻至室溫。采用阿基米德排水法測定軋制前后試樣的密度,并計算相對密度。

在軋制前后15Cr-ODS鋼試樣上切取金相試樣,對試樣軋制面(ND面)和橫向面(TD面)進行打磨、機械拋光后,進行電解拋光,拋光電壓為30 V,拋光時間為20 s,拋光液為體積分數10%的高氯酸乙醇溶液,采用OXFORD INSTRUMENTS SYMMETRY S2型掃描電鏡的電子背散射衍射(EBSD)附件表征試樣的晶粒形貌及織構特征。

在15Cr-ODS鋼試樣上取薄圓片,機械減薄至40 μm后進行雙噴減薄,雙噴液為體積分數10%的高氯酸乙醇溶液,雙噴溫度為-40 ℃,采用Tecnai G20型透射電子顯微鏡(TEM)和JEOL 2100F型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察微觀形貌,并采用配套的能譜儀(EDS)進行元素面掃描。采用401MVDTM型數顯顯微硬度計測試顯微硬度,載荷為0.49 N,保載時間為10 s,測5點取平均值。沿軋制方向制取板狀非標準拉伸試樣,如圖2所示,標距段尺寸為13 mm×3 mm×1 mm,采用島津AG-X Plus型電子萬能試驗機進行拉伸試驗,測試溫度為室溫至700 ℃,拉伸速度為2×10-3mm·s-1。

圖2 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 對密度的影響

經變形量為0,30%,50%,70%的軋制后,15Cr-ODS鋼的密度分別為7.282,7.386,7.387,7.384 g·cm-3,相對密度分別為94.1%,95.5%,95.5%,95.4%。分析認為:未軋制(變形量為0)試驗鋼的密度較低,并沒有達到完全致密,這是因為過飽和固溶體合金粉末外形不規則,降低了HIP過程中的裝填致密程度;在軋制過程中試驗鋼發生變形,內部存在的微小孔洞發生焊合,密度相比未軋制略微上升,但是30%～70%變形量下試驗鋼的密度和相對密度無明顯差別,這說明孔洞僅在軋制開始階段(0～30%變形量)焊合。

2.2 對晶粒的影響

由圖3可見:隨軋制變形量增加,試樣TD面晶粒逐漸沿軋制方向(RD)拉長,組織呈纖維狀。測得變形量為30%,50%,70%時試樣TD面的平均晶粒尺寸分別為1.98,1.62,1.20 μm,平均晶粒尺寸隨軋制變形量的增加而減小。由圖4可知,隨著軋制變形量的增加,試樣TD面小尺寸晶粒數量增多。這是因為15Cr-ODS鋼試樣中的納米析出相[6]會作為障礙物阻礙晶界遷移,抑制晶粒在軋制道次間和結束后的高溫保溫過程中長大。

圖3 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼TD面的EBSD形貌Fig.3 EBSD morphology of TD plane of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformations amount

圖4 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼TD面的的晶粒尺寸分布Fig.4 Grain size distribution of TD plane of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformation amounts

由圖5可見:未軋制試樣ND面晶粒取向分布均勻,未呈現明顯的各向異性;軋制后試樣ND面綠色區域面積隨變形量的增加而逐漸增大,各向異性愈發顯著。這是因為試樣在軋制過程中逐漸形成織構,晶粒在軋制壓力作用下發生變形和轉動,最后形成組織各向異性。

圖5 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼ND面的EBSD形貌Fig.5 EBSD morphology of ND plane of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformation amounts

2.3 對析出相的影響

由圖6可見:未軋制試樣中主要包含分布密度高的小尺寸析出相(尺寸小于10 nm)以及極少數尺寸大于30 nm的析出相;隨著軋制變形量增加,試樣中析出相尺寸增大,分布密度減小。軋制變形量越大,試樣在軋制過程中經歷軋制道次間高溫保溫的時間就越長,這就促使更多析出相析出并聚集,所以析出相尺寸增大但分布密度下降。

圖6 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼中析出相形貌Fig.6 Morphology of precipitates of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformation amounts

低倍下可以觀察到變形量為50%軋制試樣中還存在一種尺寸接近500 nm的大尺寸析出相。由圖7可以看出,該大尺寸析出相中鋁、鈦、氧元素的含量比較高,同時存在少量的鋯、釔元素,而鐵、鉻元素貧化,可以推測這類析出相應是鋁、鈦元素的氧化物相。

由圖8可見:變形量為70%軋制試樣中尺寸在10 nm左右的析出相多呈近球形,其與基體的邊界較為圓滑;根據原子面間距,推測該析出相為具有六方結構的Y4Zr3O12納米析出相(a=0.972 3 nm,b=0.972 3 nm,c=0.909 0 nm)。研究[8-11]表明,在含釔、鋁元素的ODS鋼中添加一定量的鋯元素后,會促使組織中形成大量尺寸較小的Y4Zr3O12,從而細化組織,降低釔、鋁氧化物的分布密度,從而提高材料的力學性能和抗輻照性能等。

圖8 70%變形量軋制后15Cr-ODS鋼中尺寸接近10 nm析出相的TEM形貌和HRTEM形貌Fig.8 TEM (a) and HRTEM (b) morphology of precipitates with size close to 10 nm of 15Cr-ODS steel after rolling with 70% deformation amount

2.4 對力學性能的影響

由表1可知:15Cr-ODS鋼3個面上的顯微硬度均隨軋制變形量的增加而增大,這是因為試樣在軋制過程中積累的加工硬化效應使其硬度上升;相同變形量軋制后試樣RD面的硬度最高,ND面的硬度最低,這與軋制過程中試樣孔洞焊合、相對密度提高有關。

表1 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼不同面的顯微硬度Table 1 Microhardness of different planes of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformation amounts

由圖9可知:在室溫至600 ℃范圍內,30%變形

圖9 不同變形量軋制后15Cr-ODS鋼拉伸性能隨溫度的變化曲線Fig.9 Variation curves of tensile properties of 15Cr-ODS steel after rolling with different deformation amounts vs temperature: (a) tensile strength and (b) percentage elongation after fracture

量軋制試樣的抗拉強度相比未軋制試樣提高,但30%～70%變形量下的抗拉強度極為接近。這是因為軋制變形量增加雖然可以進一步細化晶粒,增強細晶強化作用,但同時也會增大析出相的尺寸,降低其分布密度,減弱析出強化作用。在兩方面因素共同作用下,軋制變形量增加對于抗拉強度的影響極其微弱。700 ℃ 下, 未軋制和軋制試樣的抗拉強度接近。綜上可知,軋制可以提高15Cr-ODS鋼的室溫、中溫抗拉強度,但700 ℃高溫下軋制的強化作用失效。室溫至700 ℃范圍內,30%變形量軋制試樣的斷后伸長率較未軋制試樣提高;不同變形量軋制試樣的斷后伸長率均隨溫度的升高先增加,在600 ℃時達到最大后下降,這與文獻[12-13]研究結果一致。

3 結 論

(1) 軋制可以提高15Cr-ODS鋼的密度,但變形量對密度無明顯影響。

(2) 隨著軋制變形量增加,15Cr-ODS鋼晶粒細化,組織各向異性更加顯著,析出相尺寸變大,分布密度降低。

(3) 隨著軋制變形量增加,15Cr-ODS鋼的顯微硬度增加;軋制可以提高15Cr-ODS鋼室溫至600 ℃的抗拉強度和斷后伸長率,但變形量對于抗拉強度無明顯影響。