一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法 |
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| 申请号 | CN202311654852.8 | 申请日 | 2023-12-05 | 公开(公告)号 | CN117926107A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 东北大学; | 发明人 | 张元祥; 郭帅杰; 吴天模; 王诺金; 孙文博; 吴诗睿; 杨泉灵; 冯越; 王洋; 方烽; 袁国; 王国栋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于金属材料领域，特别涉及一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS 钢 制备方法。按以下步骤进行：(1)按设定成分 冶炼 钢 水 ；(2)浇注前，Y和Ti加入控制烧损；(3)钢水流经布流包时，通过定量送粉过程将(0～20％FeO+Fe2O3)富 氧 前驱剂加入钢水中；(4)富氧前驱剂与钢水在熔池中充分混均后快速 凝固 成形，稀土和氧 原子 均匀固溶在基体中；(5)铸带分切 真空 包套 轧制 ，然后 切除 包套料；(6)二次或者多次复合 热轧 后，进行 热处理 获得最终性能。本发明利用薄带铸轧实现了稀土和氧原子的均匀固溶，而且基体热 稳定性 较好，可以通过复合轧制获得大尺寸材料。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，其特征在于，按以下步骤进行： |
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| 说明书全文 | 一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法技术领域[0001] 本发明属于金属材料领域，特别涉及一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法。 背景技术[0002] 随着我国经济水平的整体提升，能源消耗日益增多，以煤炭为主的能源结构不仅已无法适应经济的快速发展，也造成了较严重的社会能源、环境问题。核能作为一种清洁高效安全的能源，既能优化能源结构，同时还能大大减少污染气体的排放，将在未来成为我国能源发展的理想选择。 [0003] 可控核聚变作为彻底解决能源问题的根本出路之一，成为国际研究热点。由于聚变堆第一壁结构材料必须满足严酷的服役环境，而纳米氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strength‑ened ODS)钢因其优异的抗辐照性能和高温蠕变强度成为聚变堆第一壁包层的首选结构材料，其中氧化物一般为稀土氧化物，如氧化钇等。一方面，ODS钢优异的抗辐照能力源于大量超细弥散粒子与基体之间形成的界面对辐照缺陷的有效捕获，另一方面，具有良好高温稳定性的纳米氧化物粒子或团簇对位错及晶界的钉扎作用使ODS钢获得良好的高温机械性能，从而获得了最高的服役温度窗口。目前，ODS钢的主要制备方法为粉末冶金工艺，其工艺流程是制粉、混均、球磨机械合金化、罐装、热等静压成形、锻造。其制程较长且存在工艺复杂、批次间稳定性差、工业生产限制等缺点。 [0004] 铸造等液态金属成型工艺制备ODS钢，具有工艺流程短、单批次产量大、批次间稳定性好、制造成本低等优点。但是该方法存在物理冶金的一个极大限制条件，稀土原子高还原特性造成其难以和氧原子均匀溶解在钢液中，稀土氧化物和钢液的润湿性极差，极易聚集上浮，最终造成基体中稀土氧化物不足，性能无法达标。如何控制氧和稀土原子均匀分布在基体中，成为最关键的难题。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，解决现有技术中难以控制氧和稀土原子均匀分布在基体中等问题。 [0006] 本发明的技术方案是： [0007] 一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，按以下步骤进行： [0008] (1)按设定成分冶炼钢水，其成分按重量百分比含有：C 0.015～0.1％，Ti 0.2～0.5％，W 0.5～1.1％，Cr 8.5～15％，V 0.2～0.5％，RE 0.05～0.25％，N≤0.002％，O≤ 0.002％，余量为Fe；其中，Y和Ti最后加入，且加入后控制均匀化时间； [0009] (2)薄带连铸过程：将钢水浇入进入布流包，中间包预热温度1200～1250℃，钢水控制过热度为60～120℃；布流包内通过螺旋送粉器送入富氧前驱剂，富氧前驱剂比例为0～20wt％FeO+Fe2O3余量，送入量按照O质量百分数为0.04～0.08％；富氧前驱剂送入位置为布流包下水口上方，富氧前驱剂通过预热的Ar气吹散； [0010] (3)钢水经布流包下水口进入两个转动的铸辊侧封板构成的熔池内，铸轧成形：控制铸速40～55m/min，控制熔池液位高度90～170mm，控制铸带厚度2.0～3.0mm； [0011] (4)铸带出辊后在惰性气氛条件下喷气冷却至室温，控制冷速50～100℃/s； [0012] (5)将铸带卷进行表面抛光，控制粗糙度Ra1.6微米以上，进行分段； [0015] (8)根据需求将A类复合坯料进行N次以内任意复合轧制组合形成更大规格坯料，复合次数计算条件为总加热时间；坯料700℃以上开始计时，升温至1100℃时间为tr1，1100℃保温时间为tpr1，则此加工过程中加热时间t 1＝tr1/2+tpr1，控制计时加热总时长为30h，即保证30‑t1‑t2‑……tN≥0，加热时间单位为h； [0016] (9)叠轧有效坯料热轧制至最终厚度2.5～50mm，轧制压缩比50％以上； [0017] (10)最终厚度钢坯进行1100℃保温，保温时间为30‑t1‑t2‑……tN，坯料进行控制冷却10～50℃/s，终冷温度不高于420℃； [0019] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，通过熔炼法将RE元素加入钢水。 [0020] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，将富氧前驱剂在钢水进入铸轧熔池前加入钢水，并在布流包和熔池内完成混均。 [0021] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，控制富氧前驱剂粒径20～100nm。 [0022] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，通过真空环境包套焊接复合热轧，且坯料析出性质稳定，进行重复复合。 [0023] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，坯料700℃以上开始计时，升温至1100℃时间为t1，1100℃保温时间为t2，则此加工过程中加热时间t总1＝t1/2+t2，控制计时加热时长为30h。 [0024] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，优选的，最终厚度钢坯进行1100℃保温后，终冷温度低于300℃。 [0025] 所述的基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，优选的，通过1000～1150℃保温1～15h热处理获得最终性能，抗拉强度1000～1400MPa，延伸率5～12％， 23 3 23 3 含Y氧化物析出密度0.75×10 个/m～2.1×10 个/m以上。 [0026] 本发明的设计思想是： [0027] 本发明设计团队长期从事薄带铸轧相关研究，该技术是冶金及材料领域的一项前沿技术，具有亚快速凝固和连续成形的特点。钢液连续进入一对转动的水冷铜辊和侧封板组成的熔池，在～0.1s内凝固成形为2～3mm铸带。这为克服传统工艺制备ODS钢的缺点，提供了工艺窗口。在本发明中设计了Fe2O3为主，辅以不同比例的FeO作为富氧前驱剂，通过布流包注入熔池的水口上方，经过送粉机构进入钢液，并随同钢液进入熔池。富氧前驱剂(Fe2O3+x％FeO)与钢液具有良好的润湿性，在熔池中完成均匀分布。而且由于熔池凝固时间仅为～0.1s，富氧前驱剂尚未完全分解，来不及和钢液中的稀土原子进行氧化还原反应，凝固后固溶于基体中，如附图1所示。将基体经过真空包套轧制，可以获得积累成形，如图2所示。而且，由于稀土原子的扩散稳定性，可以经过多次热轧复合。 [0028] 本发明的优点及有益效果是： [0030] 2)前驱粉通过均匀持续加入，并且利用钢液进入熔池的流动冲击中快速混均，然后在极短时间内凝固成形。这一特征与Fe2O3前驱剂底铺粉形成显著区别，如：专利CN105274440A是将Fe2O3直接置于铸锭模具中，含有稀土元素的钢液浇入后Fe2O3粉末上浮混均。这种方法无法控制铸坯快速凝固，富氧前驱剂充分分解后和稀土原子反应造成稀土氧化物析出尺寸达到1μm以上，粒子密度较低，无法有效强化基体，抗辐照性能降低。 [0031] 3)连续快速成形，凝固冷却速达到400～1000℃/s，而且可以稳定保持此冷速范围。这一点与棒体熔炼滴落成形法(如：专利CN111349842A)也有区别，后者熔池凝固冷速较低，氧化物仍有粗化、聚集和上浮的趋势。 [0032] 4)铸带中稀土氧化物稳定性较好，由于凝固组织中稀土原子和氧原子均匀固溶，前者扩散激活能较高，很难完成长距离迁移，最终稀土氧化物尺寸在2～4nm之间，数密度达23 3 到1×10 个/m以上，而且1100℃热稳定时间超过20h以上，这给叠轧造成充分的工艺窗口。 [0033] 5)薄规格板材多层真空包套焊接后热轧复合成形，复合界面上的缺陷位置由稀土和氧原子富集填充，如附图2和图3所示。这与CN101773931A和CN105618506A中的坯料直接焊接后复合有本质区别。 附图说明[0034] 图1为本发明的铸轧成形过程示意图。图中，1真空感应炉，2中间包，3螺旋送粉器，4布流包，5铸辊，6气冷装置，7铸带。 [0035] 图2为本发明的薄带包套叠轧示意图；其中，(a)为包套轧制外套，(b)为装入钢块后的形貌。 [0036] 图3为实施例1中热轧后复合界面缺陷处填充效果图。其中，(a)为界面形貌图，(b)为Zr元素分布图，(c)为Y元素分布图，(d)为O元素分布图。 [0037] 图4为实施例1中最终试样热处理后薄带真应力‑真应变曲线。图中，横坐标Strain为应变(％)，纵坐标Stress为应力(MPa)。 [0038] 图5为实施例1中最终热处理20h试样中析出物分析。其中，(a)为透射电镜微观组织图，(b)为原子像高分辨图，(c)为原子分布反傅里叶变换图。 具体实施方式[0039] 在具体实施过程中，本发明提出一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，按以下步骤进行：(1)按设定成分冶炼钢水，其成分按重量百分比含有：C 0.015～0.1％，Ti 0.2～0.5％，W 0.5～1.1％，Cr 8.5～15％，V 0.2～0.5％，RE 0.05～ 0.25％，N≤0.002％，O≤0.002％，余量为Fe；(2)浇注前，Y和Ti加入控制烧损；(3)钢水流经布流包时，通过定量送粉过程将(0～20％FeO+Fe2O3)富氧前驱剂加入钢水中；(4)富氧前驱剂与钢水在熔池中充分混均后快速凝固成形，稀土和氧原子均匀固溶在基体中；(5)铸带分切真空包套轧制，然后切除包套料；(6)二次或者多次复合热轧后，进行热处理获得最终性能。 [0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 [0041] 实施例1 [0042] 如图1所示，本实施例提出一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，包括如下步骤： [0043] (1)按设定成分由真空感应炉1冶炼钢水，其成分按重量百分比含有：C 0.075％，Ti 0.35％，W 0.75％，Cr 9.1％，V 0.4％，Y 0.093％，余量为Fe；其中，Y和Ti最后加入，且加入后控制均匀化时间7min； [0044] (2)薄带连铸过程：通过中间包2将钢水浇入布流包4，中间包2预热温度1230℃，钢水控制过热度为+80℃。布流包4内通过螺旋送粉器3送入富氧前驱剂，富氧前驱剂比例为10wt％FeO+90wt％Fe2O3，富氧前驱剂送入量按照O质量百分数为0.06％，最终收得O质量分数0.0488％；富氧前驱剂送入位置为倾斜的布流包4下水口上方，富氧前驱剂通过预热至 200℃的Ar气吹散； [0045] (3)钢水经布流包4下水口进入两个转动的铸辊5侧封板构成的熔池内，铸轧成形：控制铸速40mm/min，控制熔池液位高度140mm，控制铸带厚度2.8mm； [0046] (4)铸带7出辊后在惰性气氛条件下通过气冷装置6喷气冷却至室温，控制冷速70℃/s，终冷温度200℃； [0047] (5)将铸带卷进行表面抛光，控制粗糙度Ra1.2微米，进行分段； [0048] (6)准备Q195材质包套，将10层铸带共计25mm，置于包套内在真空环境下焊接； [0049] (7)包套随炉加热至1100℃，加热速率控制10℃/min，保温30min后进行轧制，控制总变形量70％，然后切除包套的Q195材质获得A类复合坯料厚度约5mm； [0050] 如图2‑图3所示，从薄带包套叠轧和热轧后复合界面缺陷处填充效果可以看出，结合界面上生成新的氧化物，对孔洞和其他缺陷填充良好，证明真空复合轧制的效果。 [0051] (8)坯料冷轧制至最终厚度0.5mm； [0052] (9)最终厚度钢坯进行1100℃保温，保温时间为15min、1h、5h、20h和30h(对照组)，保温后空冷，获得最终性能，最强抗拉强度1089MPa，延伸率7.5％，抗拉强度如图4所示。含Y23 3 氧化物析出密度1.4×10 个/m，保温20h试样中氧化物分析如图5所示。 [0053] 实施例2 [0054] 如图1所示，本实施例提出一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，包括如下步骤： [0055] (1)按设定成分由真空感应炉1冶炼钢水，其成分按重量百分比含有：C 0.1％，Ti 0.2％，W 1％，Cr 14％，V 0.2％，Y 0.20％，N 0.002％，O 0.002％，余量为Fe；其中，Y和Ti最后加入，且加入后控制均匀化时间15min； [0056] (2)薄带连铸过程：通过中间包2将钢水浇入布流包4，中间包2预热温度1200℃，钢水控制过热度为+120℃。布流包4内通过螺旋送粉器3送入富氧前驱剂(Fe2O3)，富氧前驱剂送入量按照O质量百分数为0.08％，最终收得O质量分数0.06％；富氧前驱剂送入位置为倾斜的布流包4下水口上方，富氧前驱剂通过预热至230℃的Ar气吹散； [0057] (3)钢水经布流包4下水口进入两个转动的铸辊5侧封板构成的熔池内，铸轧成形：控制铸速35mm/min，控制熔池液位高度120mm，控制铸带厚度2.6mm； [0058] (4)铸带7出辊后在惰性气氛条件下通过气冷装置6喷气冷却至室温，控制冷速50℃/s； [0059] (5)将铸带卷进行表面抛光，控制粗糙度Ra1.4微米，进行分段； [0060] (6)准备Q195材质包套，将50层共计120mm厚度铸带置于包套内在真空环境下焊接； [0061] (7)包套随炉加热至1100℃，加热速率控制10℃/min，保温30min后进行轧制，控制总变形量60％，然后切除包套的Q195材质获得A类复合坯料，厚度42mm； [0062] (8)将四层A坯料进行真空复合焊接后，1100℃×4h加热，后热轧至30mm厚，坯料进行控制冷却30℃/s，终冷温度420℃。 [0063] (9)最终厚度坯料热处理，1100℃热处理12h，获得最终性能，抗拉强度1400MPa，延23 3 伸率5％，含Y氧化物析出密度2.1×10 个/m。 [0064] 实施例3 [0065] 如图1所示，本实施例提出一种基于熔炼、薄带铸轧和复合成形的大规格ODS钢制备方法，包括如下步骤： [0066] (1)按设定成分由真空感应炉1冶炼钢水，其成分按重量百分比含有：C 0.015％，Ti 0.34％，W 1.1％，Cr 8.5％，V 0.5％，Y 0.015％，N 0.002％，O 0.002％，余量为Fe；其中，Y和Ti最后加入，且加入后控制均匀化时间15min； [0067] (2)薄带连铸过程：通过中间包2将钢水浇入布流包4，中间包2预热温度1250℃，钢水控制过热度为+60℃。布流包4内通过螺旋送粉器3送入富氧前驱剂(Fe2O3)，富氧前驱剂送入量按照O质量百分数为0.055％，最终收得O质量分数0.042％；富氧前驱剂送入位置为倾斜的布流包4下水口上方，富氧前驱剂通过预热至210℃的Ar气吹散； [0068] (3)钢水经布流包4下水口进入两个转动的铸辊5侧封板构成的熔池内，铸轧成形：控制铸速35mm/min，控制熔池液位高度160mm，控制铸带厚度2.7mm； [0069] (4)铸带7出辊后在惰性气氛条件下通过气冷装置6喷气冷却至室温，控制冷速80℃/s； [0070] (5)将铸带卷进行表面抛光，控制粗糙度Ra1.2微米，进行分段； [0071] (6)准备Q195材质包套，将40层共计100mm厚度铸带置于包套内在真空环境下焊接； [0072] (7)包套随炉加热至1100℃，加热速率控制10℃/min，保温30min后进行轧制，控制总变形量60％，然后切除包套的Q195材质获得A类复合坯料，厚度38mm； [0073] (8)将6层A坯料进行真空复合焊接后，1100℃×4h加热，后热轧至50mm厚，坯料进行控制冷却30℃/s，终冷温度380℃。 [0074] (9)最终厚度坯料热处理，1100℃×15h获得最终性能，抗拉强度1000MPa，延伸率23 3 12％，含Y氧化物析出密度0.75×10 个/m。 [0075] 实施结果表明，本发明利用薄带铸轧亚快速凝固和连续成形两个特点实现了稀土和氧原子的均匀固溶，而且基体热稳定性较好，可以通过复合轧制获得大尺寸材料。 |
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