关于弥散强化合金的讨论

关于弥散强化合金的讨论主要内容一、简介二、理论模型三、制备工艺四、国内外研究现状五、个人想法总结一、弥散强化合金简介弥散强化合金是金属或合金基体与高度弥散且不溶于基体的金属或非金属第二相颗粒构成的材料。第二相颗粒通常是高溶点的氧化物、碳化物或氮化物颗粒，在较高的温度下可以保持强化作用。此外，对第二相颗粒的分布也有要求：颗粒尺寸要小（10-50nm），间距达到最佳范围（100-500nm），并且在基体中均勾分布；微粒与基体互不作用，在高温下聚集的倾向小。第二相的含量一般低于。应用较多的是AL₂O₃、ThO₂、Be₂C、ZrN、ZrO₂、BeO、Y₂O₃等。这些颗粒的主要特征是高温强度和抗蠕变性能好，其强化机理类似于沉淀强化，不同的是沉淀强化合金在高于沉淀相溶解温度加热时，沉淀相颗粒会发生粗化和重溶，因此合金的使用温度受到一定限制。而弥散强化合金的第二相颗粒在到达基体固相线温度时可以保持稳定，只有部分发生再析出，而这部分在析出的弥散颗粒质点的存在也有助于改变合金的屈服强度以及蠕变和断裂性能。二、弥散强化的理论模型1、位错绕过粒子理论Orowan于1948年提出“位错绕过粒子理论”,称为模型。如图所示,位错在外应力作用下,沿滑移面运动,遇弥散粒子则滑移被阻碍。在外应力继续增加的条件下位错线发生弯曲,当位错线绕强化粒子形成半圆时,粒子两边异号位错相互抵消,最后通过弥散粒子继续沿滑移面运动,并在粒子周围形成位错环。由图可知当位错线绕过弥散质点时,质点对位错线的阻力与位错线张力之间满足：𝐹=2𝑇sin𝜃（其中𝜃为位错线绕过角度），当𝜃=𝜋2时,位错绕质点呈半圆形,F达到极值,位错线张力为12μ𝑏2（μ为切变模量），则F最大值为μ𝑏2，在平衡条件下，𝐹𝑚𝑎𝑥=𝜆𝑏𝜏𝑐,带入上式，可得𝜆𝑏𝜏𝑐=μ𝑏2，整理后有：𝜏𝑐=μ𝑏2/λ。因此,弥散粒子距离越小,屈服强度越大。绕过机制要求弥散粒子具有足够的强度,从而在位错线以滑移方式经过时不被切开或破坏。2、位错线切过粒子理论如果基体中弥散粒子强度较低，在为错线滑移运动碰见粒子时，会以切过方式经过。在这种情况下，材料的屈服强度受多种因素影响，包括切割表面台阶界能增加、弥散粒子错排面的形成，粒子与周围应力作用变化等。在切割机制中，临界应力为𝜏𝑐=2𝑏𝜆𝑇12(𝐹𝑚𝑎𝑥2)32，而通过实验验证此种切割机制十分困难，目前尚无可靠的定量结果,但一般来讲,增大弥散粒子体积分数、提高弥散粒子均匀程度以及错配度、高的界面能均一可以提高合金的屈服强度。制粉工艺的研究成型工艺的研究三、制备工艺制粉工艺内氧化法:利用合金中含量较少且对氧具有很强亲和力的合金元素与氧反应，生成氧化物质点作为弥散强化相。难保证其他合金元素不被氧化。化学法：溶胶凝胶法、共沉淀法、浸润法。均可成功地将Y₂O₃添加到基合金中，但采用溶胶凝胶法制备的粉体最为理想。MA法:目前大规模生产ODS合金的主要方法。目前MA法制粉多采用雾化预合金粉与细小氧化物颗粒在保护气体环境中进行高能球磨。1、制粉的研究ODS合金属于粉末冶金高温合金，由于粉末质量严重影响合金的性能，因此对粉末要求很严格，要求其气体及夹杂物含量低、粒度分布及形状合适。此外，如何向合金粉末中添加氧化物及控制氧化物的形状、粒度对于改善ODS合金性能至关重要。2、成型的研究成型工艺HIP成型：HIP在各个方向上对材料施加相等的压力，不存在各向异性的问题，因此在ODS合金的制造中得到广泛的应用。HE成型：HE成型是将金属材料加热到在结晶温度以上进行挤压的方法，大的剪切力可以碎花夹杂物、细化晶粒、实现超塑性变形，有利于后续的变形加工。目前国际上普遍采用的ODS成型工艺主要包括热等静压（HIP）、热挤压（HE）两种，在实验室规模主要采用热等静压工艺，而在商业化生产工艺中主要采用热挤压工艺。四、国内外研究现状简介用途研究现状主要问题1、弥散强化镍合金的研究氧化物弥散强化镍基合金以高熔点的氧化物颗粒作为弥散强化相。与铸造镍基高温合金相比，ODS合金不会出现析出强化相随着环境温度的升高回溶入基体的情况，因此工作温度不必受限于强化相溶解温度。这一特性使ODS合金在许多需要面对高温极限工作条件的产业中具有广阔的应用前景。用途：涡轮喷气发动机导向叶片、涡轮叶片等。研究现状：氧化物细化弥散工艺（在合金化设备方面，开发出了转速更高、研磨球相对速度更高、能量输出更大、污染更小的球磨设备Simoloyer球磨设备；在工艺方面研究了合金化元素对细化氧化物的影响。初步揭示了氧化物细化的机理。）成型和热处理工艺（一般而言，ODS镍基合金采用包套热挤压技术进行成型加工。人们在如何得到纵向柱状晶方面已经做出许多工作。探明了影响二次再结晶的因素，得出了适宜的热处理工艺。可以说制备工艺已成熟。主要问题：怎样减小氧化物的粒径以保证组织长期稳定性及力学性能；横向蠕变脆性问题。2、弥散强化铜合金的研究：弥散强化铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，因其优良的高温强度、高导电性和高导热性，已广泛应用于电力、电子、机械等工业等领域，并且在某领域有着其它材料不可替代的优势。用途：电阻焊电极；高压隔离开关导电杆；低压电器触头材料；整流子等。研究现状：组分的设计（Al₂O₃、TiB₂、石墨、Ti₃SiC₂,类型、含量、微观结构等）；工艺研究（机械合金化、内氧化、化学法、溶胶凝胶法）主要问题：强化相（第二相的引入提高某方面性能而不降低其他性能）；粉末细化（粉末细化对弥散起重要作用，如何制取超细粉末）；致密性（如何在烧结过程中控制工艺参数和采取特殊的烧结方法和烧结后增加工序来增加致密度）;产业化（工艺过程复杂，容易参数不稳定）3、弥散强化铁基合金的研究：氧化物弥散强化（OxideDisperisonStrengthened,ODS)铁素体合金由于其优异的高温力学性能和良铁素体合金由于其优异的高温力学性能和良好的抗福照肿胀能力，被公认为是最有希望的SCWR燃料包壳候选材料。ODS铁素体合金是通过合理的工艺技术添加高溶点的纳米级氧化物颗粒到铁素体钢基体中制备而成，不仅能够提高合金高温力学性能，而且可以增强合金的辐照稳定性，进而提高合金的使用温度极限。用途:航空发动机壳体、高温结构件、中子反应包壳管材料等。研究现状：早期的氧化物弥散强化铁基合金研究主要是以Fe-Al₂O₃为材料体系。Gatti分别采用了四种方法制备了Al₂O₃增强铁基合金材料,右表为儿种常见的商业用或研究中的ODS铁基合金。近年来,一种具有纳米团簇微结构的Fe-Cr-W-Ti-Y-O铁素体合金引起了粉末冶金领域的极大研究兴趣。合金一般通过机械合金化工艺及后续热挤压或热等静压,制备而成,通过TEM及3DAP观察到合金基体中弥散分布几个纳米尺寸的原子团簇。对于Ti-Y-O纳米化合物的形成,还未有统一的解释。主要问题:如何准确表征弥散氧化物颗粒，球磨工艺使机械合金化产生的粉体性质复杂多变，球磨介质的磨损会导致粉体污染。4、新工艺的提出Providessimplifiedfabricationprocess.reducefabricationcostandcanefficientlyfabricateendproducts.Adjusttheareaordepthofthesiteofmeltingonthematrixsurfaceofstep1.ReduceprocessingrequiredforthejoiningoftheODSalloy.OvercomestheshortcomingoftheconventionalODSmethodofmeltingamatrixandaddingoxide.Sufficientlyincreasethemechanicalstrengthofthemetal.Advantagement:五、个人想法总结1、弥散强化是强化效果较大的一种强化合金的方法，很有发展前途。但还有很多问题亟待解决，例如：制备工艺复杂，设计操作程序众多，需优化制备工艺以降低成本，合金的蠕变、疲劳、焊接特别是辐照性能数据库有待充实完善。国内应尽快组织开展弥散强化合金系统的研究工作。以便其在各重大领域发挥其作用。2、目前应用最广泛的制粉工艺是机械合金化法（MA），该技术最早是由美国国籍镍公司（INCO）公司的J.S.Benjamin等人于1969年研制并应用，自MA技术成功应用于高温合金制备以来,研究者针对工艺在其它材料领域的应用也开展了广泛的研究,。然弥散强化工艺问题一直是首当其冲，是否可以加强对新工艺的研究探索，50多年来，激光技术及其应用发展迅猛。前述某专利表明可利用激光实现弥散强化，且可将合金制粉与产品成型综合一步，大大简化了工艺流程，至于产品弥散强化效果及质量可靠性值得有待进行大量实验探究。谢谢大家!