权利要求

1.一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先称取一定量的第三代新型镍基高温合金粉末，将所述合金粉末进行机械合金化处理，得到合金化的粉末;再将合金化的粉末利用放电等离子烧结成型，制得具有优异机械性能和抗氧化性性能的氧化物弥散强化镍基高温合金。

2.根据权利要求1所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co 17.50wt%-19.50wt%,Cr 12.00wt%-14.00wt%，Fe 6.50wt%-7.00wt%，Al 3.60wt%-4.00wt%，Ti 3.30wt%-3.70wt%，Mo3.20wt%-3.60wt%，Ta 2.00wt%-2.50wt%，W 1.80wt%-2.40wt%，Nb 0.70wt%-1.20wt%，Mn 0.10wt%-0.15wt%，Si 0.10wt%-0.20wt%，C 0.03wt%-0.07wt%，余量为Ni。

3.根据权利要求1所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述机械合金化处理是将第三代新型镍基高温合金粉末与Y2O3粉末经充分混合后与研磨球一起封装在球磨罐中，球料比为10∶1，采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入无水乙醇作为过程控制剂。

4.根据权利要求3所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述第三代新型镍基高温合金粉末与Y2O3粉末的质量比为1000:6。

5.根据权利要求3所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述Y2O3粉末粒径的为20nm-30nm。

6.根据权利要求3所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，对所述球磨罐进行抽真空处理，将球磨罐固定在卧式行星球磨机中，采用间歇式球磨方式;所述球磨的转速为300r/min-400r/min，球磨时间为0.5h-36h。

7.根据权利要求3所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述无水乙醇的质量分数为0-20wt.%。

8.根据权利要求1所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结成型是将所述合金化后的粉末烘干后，置于模具中，采用放电等离子烧结的方法烧结成型。

9.根据权利要求8所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的温度为900℃-1200℃，烧结压力为50MPa，保温时间为15min。

10.根据权利要求1所述的一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，其特征在于，所述氧化物弥散强化镍基高温合金的抗拉强度范围为1400MPa-1500 MPa，屈服强度范围为1300MPa-1400 MPa。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于高温合金材料技术领域，具体涉及一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法。

背景技术

[0002]镍基高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变及耐腐蚀性能，广泛应用于航空发动机和核能装备。传统强化手段(如固溶强化、析出强化)在极端环境下存在局限性，而氧化物弥散强化(ODS)通过引入纳米氧化物颗粒可显著提升合金性能。这种合金通过在其组织中引入高密度纳米级氧化物颗粒、形成高密度位错及亚微米晶粒，从而具备优异的室温及高温力学性能、热稳定性和抗辐照能力等。ODS镍基合金被认为是第四代裂变反应堆第一壁材料、先进聚变堆包壳、事故容错型燃料棒包壳的理想候选结构材料之一。目前，第三代ODS镍基高温合金的研究虽已取得一定进展，但现有工艺仍存在冷焊与粉末形貌控制不足，以及氧化物分布不均的问题。因此，需要对机械合金化与烧结的关键参数(如球磨时间、过程控制剂添加量、烧结温度)进行优化，进而推动高性能ODS合金材料及第四代镍基高温合金的研发与应用。

发明内容

[0003]本发明的目的是提供一种高性能ODS镍基高温合金的制备方法，通过优化机械合金化与放电等离子烧结工艺，解决现有技术的不足。具体技术方案如下：

[0004]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，包括如下步骤：先称取一定量的第三代新型镍基高温合金粉末，将所述合金粉末进行机械合金化处理，得到合金化的粉末;再将合金化的粉末利用放电等离子烧结成型，制得具有优异机械性能和抗氧化性性能的氧化物弥散强化镍基高温合金。

[0005]进一步地，所述第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co 17.50wt%-19.50wt%,Cr 12.00wt%-14.00wt%，Fe 6.50wt%-7.00wt%，Al 3.60wt%-4.00wt%，Ti 3.30wt%-3.70wt%，Mo 3.20wt%-3.60wt%，Ta 2.00wt%-2.50wt%，W 1.80wt%-2.40wt%，Nb0.70wt%-1.20wt%，Mn 0.10wt%-0.15wt%，Si 0.10wt%-0.20wt%，C 0.03wt%-0.07wt%，余量为Ni。

[0006]进一步地，所述机械合金化处理是将第三代新型镍基高温合金粉末与Y2O3粉末经充分混合后与研磨球一起封装在球磨罐中，球料比为10∶1，采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入无水乙醇作为过程控制剂。

[0007]进一步地，所述第三代新型镍基高温合金粉末与Y2O3粉末的质量比为1000:6。

[0008]进一步地，所述Y2O3粉末粒径的为20nm-30nm。

[0009]进一步地，对所述球磨罐进行抽真空处理，将球磨罐固定在卧式行星球磨机中，采用间歇式球磨方式;所述球磨的转速为300r/min-400r/min，球磨时间为0.5h-36h。

[0010]进一步地，所述无水乙醇的质量分数为0-20wt.%。

[0011]进一步地，所述放电等离子烧结成型是将所述合金化后的粉末烘干后，置于模具中，采用放电等离子烧结的方法烧结成型。

[0012]进一步地，所述放电等离子烧结的温度为900℃-1200℃，烧结压力为50MPa，保温时间为15min。

[0013]进一步地，所述氧化物弥散强化镍基高温合金的抗拉强度范围为1400MPa-1500MPa，屈服强度范围为1300MPa-1400 MPa。

[0014]本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

[0015]本发明的上述方案通过对机械合金化的参数进行优化，球磨时间过短会导致颗粒尺寸过大，化学成分存在偏析，延长球磨时间在细化颗粒的同时会显著加剧冷焊现象，工艺控制剂的添加能增加磨球和颗粒表面的润滑性，降低摩擦因数，从而减少粉末颗粒在机械合金化过程中的黏结和团聚，使粉末颗粒更小且表面更加光滑，而工艺控制剂添加过少会导致润滑不充分，过多会造成机械合金化失败，本发明通过对上述参数进行组合和优化，有效抑制了冷焊现象，细化了粉末颗粒，且Y2O3均匀分布于第三代镍基高温合金粉末中;通过氧化物弥散强化，合金的力学性能得到显著提升;制备材料的条件要求相对较低，易于操作。

附图说明

[0016]图1为实施例和对比例中机械性能测试所使用的拉伸试样示意图;

[0017]图2为实施例1、2、3烘干后的得到的粉末的SEM图像;

[0018]图3为实施例2烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的微观组织图;

[0019]图4为实施例2、3和对比例1烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的应力-应变曲线图;

[0020]图5为实施例2、3和对比例1烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的极限抗拉强度和伸长率图;

[0021]图6为实施例2、3经热暴露实验得到的氧化增重曲线图。

具体实施方式

[0022]下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合具体实施案例对本发明做进一步的详细说明。但本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

[0023]实施例1

[0024]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0025]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co17.68wt%,Cr13.42wt%，Fe 6.52wt%，Al 3.95wt%，Ti 3.35wt%，Mo 3.32wt%，Ta2.13wt%，W 1.82wt%，Nb 0.82wt%，Mn 0.14wt%，Si 0.13wt%，C 0.04wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入0wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以300r/min的转速球磨36h，得到合金粉末MA-1;将得到的合金粉末MA-1放入烘干箱内烘干;烘干后的得到的粉末的SEM图像如图2(a)所示，将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为1050℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金SPS-0%。

[0026]拉伸试验

[0027]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0028]热暴露实验

[0029]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线。

[0030]实施例2

[0031]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0032]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量的0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co17.57wt%,Cr 13.38wt%，Fe 6.72wt%，Al 4.00wt%，Ti 3.37wt%，Mo 3.24wt%，Ta2.06wt%，W1.88wt%，Nb 0.75wt%，Mn 0.11wt%，Si 0.10wt%，C 0.04wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入1wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以350r/min的转速球磨36h，得到合金粉末MA-2;将步骤得到的合金粉末放入烘干箱内烘干，烘干后的得到的粉末的SEM图像如图2(b)所示;将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为1050℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金SPS-1%，图3为烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的微观组织图，从图中可以看出烧结后的组织致密，没有明显缺陷，晶粒尺寸较小，且存在均匀分布的细小弥散相。

[0033]拉伸试验

[0034]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0035]热暴露实验

[0036]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线。

[0037]实施例3

[0038]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0039]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量的0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co18.13wt%,Cr 12.84wt%，Fe 6.86wt%，Al 3.72wt%，Ti 3.47wt%，Mo 3.46wt%，Ta2.37wt%，W2.01wt%，Nb 0.89wt%，Mn 0.11wt%，Si 0.17wt%，C 0.03wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入10wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以400r/min的转速球磨36h，得到合金粉末MA-3;将得到的合金粉末放入烘干箱内烘干，烘干后的得到的粉末的SEM图像如图2(c)所示;将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为1050℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金SPS-10%。

[0040]拉伸试验

[0041]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0042]热暴露实验

[0043]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线，图6为实施例2、3经热暴露实验得到的氧化增重曲线图，从图中可以看出增加工艺控制剂的含量可以提高合金的抗氧化性能。

[0044]实施例4

[0045]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0046]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量的0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co17.63wt%,Cr 12.74wt%，Fe 6.82wt%，Al 3.78wt%，Ti 3.65wt%，Mo 3.44wt%，Ta2.31wt%，W1.88wt%，Nb 0.73wt%，Mn 0.11wt%，Si 0.11wt%，C 0.04wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入20wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以350r/min的转速球磨36h，得到合金粉末MA-4;将得到的合金粉末放入烘干箱内烘干;将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为1050℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金SPS-20%。

[0047]拉伸试验

[0048]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0049]热暴露实验

[0050]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线。

[0051]实施例5

[0052]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0053]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量的0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co18.56wt%,Cr 12.93wt%，Fe 6.76wt%，Al 3.87wt%，Ti 3.45wt%，Mo 3.54wt%，Ta2.07wt%，W1.99wt%，Nb 0.82wt%，Mn 0.13wt%，Si 0.13wt%，C 0.06wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10mm、8mm和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入1wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以350r/min的转速球磨18h，得到合金粉末;将得到的合金粉末放入烘干箱内烘干;将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为900℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金。

[0054]拉伸试验

[0055]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0056]热暴露实验

[0057]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线。

[0058]实施例6

[0059]一种氧化物弥散强化ODS镍基高温合金制备方法，采用以下步骤：

[0060]将第三代新型镍基高温合金粉末与占镍基高温合金粉末质量的0.6%的Y2O3粉末充分混合后与研磨球一起封装于球磨罐中，其中第三代新型镍基高温合金粉末成分为Co17.86wt%,Cr 12.76wt%，Fe 6.81wt%，Al 3.65wt%，Ti 3.37wt%，Mo 3.25wt%，Ta2.13wt%，W2.14wt%，Nb 0.86wt%，Mn 0.12wt%，Si 0.10wt%，C 0.06wt%，余量为Ni;球料比为10:1，磨球采用直径分别为10、8和5mm的不锈钢磨球，质量比为1∶3∶6，并加入1wt%无水乙醇作为过程控制剂，对球磨罐进行抽真空处理，随后固定于行星球磨机中，以350r/min的转速球磨0.5h，得到合金粉末;将得到的合金粉末放入烘干箱内烘干;将烘干的粉末放入模具中进行放电等离子烧结，烧结温度为1050℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到氧化物弥散强化镍基高温合金。

[0061]拉伸试验

[0062]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0063]热暴露实验

[0064]用于氧化测试的试样取自烧结得到的氧化物弥散强化镍基高温合金，通过电火花线切割设备将其加工成6mm×6mm×6mm的方块，用SiC砂纸研磨表面，利用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗样品表面。在马弗炉中于900℃的空气气氛中进行等温氧化试验，实验时间设置为5h、15h、40h、70h、100h、200h、500h。在不同的氧化间隔期将试样从炉中取出，用精度为0.0001g的电子天平记录质量增量，并绘制氧化增重曲线。

[0065]对比例1

[0066]将第三代新型镍基高温合金粉末放入模具中进行放电等离子烧结，粉末成分为Co17.51wt%,Cr 13.74wt%，Fe 6.76wt%，Al 3.76wt%，Ti 3.46wt%，Mo 3.52wt%，Ta2.26wt%，W2.06wt%，Nb 0.82wt%，Mn 0.11wt%，Si 0.13wt%，C 0.03wt%，余量为Ni，烧结温度为1200℃，烧结压力为50MPa，保温15min，得到镍基高温合金Original alloy。

[0067]拉伸试验采用Mtest50原位张力仪(Mtest50 in-situ tension meter)，拉伸速率为0.1mm/min。通过电火花加工从烧结得到试样上切割出尺寸为20mm×3mm×2mm的蝴蝶结型拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，规段长度为4mm。为了保证拉伸数据的准确性，对每个热处理样品进行了3次拉伸实验。

[0068]图4为实施例2、3和对比例1烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的应力-应变曲线图，从图中可以看出降低工艺控制剂的含量可以提高合金的强度，而实施例3的强度较低经分析是由于工艺控制剂添加量过高造成大规模的氧化物生成，显著增加了材料脆性;

[0069]图5为实施例2、3和对比例1烧结后得到的氧化物弥散强化镍基高温合金的极限抗拉强度和伸长率图，从图中可以看出对比例1得到的合金具有最好的延展性，经分析是由于高的烧结温度促进了组织致密化，实施例2相较于对比例1尽管烧结温度降低，但仍保持与原始合金相当的极限拉伸强度，同时屈服强度显著增加，这说明通过机械合金化引入的氧化物颗粒的有效性以及纳米氧化物弥散分布在改善合金性能中的关键作用，工艺控制剂含量的增加会导致合金抗拉强度以及延伸率下降，经分析是由于生成了大量氧化物，导致材料脆性提高。

[0070]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域而言，在不脱离本发明的思想和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

说明书附图(6)