MgO彌散強化鐵基材料的制備

納米尺寸的氧化物均勻、彌散地分布于鐵基體中，能夠起到顯著的強化效果。氧化物彌散強化鐵素體鋼由于具有很高的蠕變強度和抗中子輻照能力，已被大量應(yīng)用于高溫合金材料和先進核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料。目前，氧化物彌散強化鐵基材料的制備主要通過添加Y203和Ti等元素，經(jīng)過高能球磨-包套封裝-熱等靜壓-熱加工的工藝，在基體中生成Y2Ti2O7,Y2TiO5等彌散相，從而強化材料。這種方法工藝復(fù)雜，成本很高，不適合進行大規(guī)模生產(chǎn)。

北京科技大學(xué)提出采用內(nèi)氧化法制備氧化物彌散強化鐵基材料的新思路，取得了較好的結(jié)果。這種方法中十分關(guān)鍵的一步就是高溫內(nèi)氧化，如果添加的合金元素會與基體鐵形成穩(wěn)定的中間相，那么在高溫內(nèi)氧化時就很難將合金元素全部原位轉(zhuǎn)變成氧化物。通過分析鐵合金二元相圖，發(fā)現(xiàn)Mg元素和Fe在平衡態(tài)下是完全不固溶的兩相，如果將其先生成非平衡態(tài)的Fe-Mg固溶體，然后再經(jīng)過內(nèi)氧化就很容易原位生成Mg0，從而起到彌散強化的效果。他們的制備工藝的基本框架是：采用機械合金化-低溫表面氧化-高溫內(nèi)氧化-還原處理制備Mg0彌散強化鐵粉后再經(jīng)放電等離子燒結(jié)制備Mg0彌散強化鐵基材料。實驗用的鐵粉粒度<75μm，水霧化法制備；鎂粉粒度<75μm，氣霧化法制備。先按照不同配方稱取鐵粉和鎂粉，然后在氫氣氣氛下高能球磨48h，球料比10:1。球磨后的粉末在360℃空氣氣氛中進行低溫表面氧化2h，然后在800℃氮氣氣氛下進行內(nèi)氧化處理4h，最后在900℃氫氣還原爐中還原2h。將制備所得的彌散強化鐵粉在1000℃/40MPa下進行放電等離子燒結(jié)8min。

對所得材料的檢測表明，添加的Mg0顆粒尺寸為200nm~1μm，均勻地分布于基體中，同時能夠細化基體晶粒。添加Mg0強化后，材料的拉伸斷口由粗大的韌窩變成細小的尺寸為1~3μm的等軸韌窩；Mg0彌散強化鐵基材料燒結(jié)體的室溫力學(xué)性能得到有效提高，F(xiàn)e+1.0%Mg0的抗拉強度為342.6MPa，屈服強度為276.3MPa，硬度為61HRB，相對于純鐵分別提高了20.5%,54.2%和84.8%。在抗拉強度和屈服強度提高的同時，伸長率并沒有明顯下降，純鐵伸長率為21.5%，F(xiàn)e+1.0%Mg0伸長率為20.7%。其原因也是由于Mg0細化晶粒，晶粒越細小，材料的塑性越好。