Y2O3和Ti含量对弥散强化铁合金组织结构和性能的影响★

赵昱臻，王立新，申 毅

（太原钢铁（集团）有限公司，山西 太原 030003）

试（实）验研究

Y2O3和Ti含量对弥散强化铁合金组织结构和性能的影响★

赵昱臻，王立新，申 毅

（太原钢铁（集团）有限公司，山西 太原 030003）

以水热法制备的不同Y2O3含量的弥散强化（ODS）铁合金粉末为原料，通过机械合金化工艺加入质量分数分别为0、0.8%、2%的合金元素Ti，再采用放电等离子烧结（SPS）工艺制备弥散强化铁合金。采用扫描电镜（SEM）和电子拉伸试验机对样品进行观察和检测，研究弥散相Y2O3和合金元素Ti含量对弥散强化铁的微观组织和力学性能的影响。结果表明：当不加入合金元素Ti而Y2O3弥散相含量（质量分数）为1.0%时，弥散强化铁达到最佳力学性能，抗拉强度537 MPa；加入0.8%的合金元素Ti后，弥散相颗粒明显细化，抗拉强度和硬度均明显提高，抗拉强度达到710 MPa。

氧化物弥散强化 水热合成 放电等离子烧结 力学性能

氧化物弥散强化［1］（OxideDispersionStrengthened，ODS）铁合金是指通过稳定的氧化物弥散相增强的铁基合金。ODS铁合金由于具有很优异的高温蠕变、高温疲劳、抗辐射损伤和耐腐蚀等综合性能，受到广泛关注，已经被应用于先进的飞机发动机、燃气轮机耐高温抗氧化部件、可重复使用的航天运载器热防护面板等耐高温材料领域［2-5］。目前，ODS铁合金制备的主要步骤是：首先采用机械化制备ODS铁合金粉末，然后采用热等静压和热挤压［6-7］进行致密化。通过这种工艺方法可成功制备多元ODS高温合金，实现弥散强化相添加工艺的突破。

随着科学技术日新月异的发展，化学沉积、溶胶-凝胶等化学法用于添加Y2O3，可将细小氧化物质点均匀分布于母相中［8］。水热合成具有环境友好、低温、产物纯度高、分散性好、均匀、粒度分布窄、无团聚、晶形好等特点，故成为重要的纳米材料的制备技术。因而可采用水热合成的方法制备弥散相氧化物与基体氧化铁的复合粉体，进一步还原得到氧化物弥散强化铁粉。这种方法一方面操作简单、反应可控，另一方面制备的粉体粒径均一，形貌完整［9］。

根据弥散强化机制［10］可知：弥散相颗粒越多、颗粒越细小均匀，颗粒间距越小，弥散强化材料的强化效果越好；但是，随着弥散相含量的增多，一方面会产生粉末压制烧结致密化困难等影响，另一方面，弥散相含量高使得制备颗粒细小均匀的弥散相难度大幅度增大，反而降低强化效果，所以弥散相的含量应被控制在一定的范围内［11-12］。

由目前对ODS铁合金的研究表明：当加入合金元素Ti后，ODS铁合金中的弥散相已不再以原来加入的弥散相Y2O3形式存在，取而代之的是一种结构复杂的含Ti氧化物，如果加入的合金元素Ti含量和工艺控制得当，这种氧化物不仅能非常均匀地分布于基体中，而且能进一步细化弥散相颗粒，将弥散强化的效果优势发挥得更充分，使得ODS铁合金获得更优越的高温性能，尤其是蠕变性能［13-16］。

因此，本文选用水热合成法先制备Y2O3弥散强化铁粉，再通过机械合金工艺加入合金元素Ti，然后采用放电等离子烧结（SPS）将上述粉末进行致密化，在此基础上进一步研究水热法制备弥散强化铁时Y2O3和合金元素Ti含量对弥散强化铁合金组织结构和性能特征的影响。

1 实验部分

本实验采用水热合成的方法首先制备w（Y2O3）分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的弥散强化铁粉末，选取w（Y2O3）=1.0%的弥散强化铁粉末为原料，分别添加质量分数为0、0.8%和2.0%的合金元素Ti，采用震动球磨机进行机械合金化，额定振动频率为23.3 Hz，振幅为3～4mm，球料质量比为25∶1，球磨时间为20 h。最后将得到的粉末分别取45 g均装入直径为Φ30mm的石墨模具中振实，然后在SPS-1050烧结炉中进行SPS烧结，烧结具体工艺为：压力50MPa，保温温度1050℃，保温时间15min。

将得到的样品经过抛光和4%硝酸酒精侵蚀后，采用SUPRATM55型场发射扫描电镜（FE-SEM）观察其微观组织形貌和弥散相颗粒的分布。采用阿基米德排水法测量试样密度。对于粉末冶金制备的结构材料，抗拉强度和硬度是其主要力学性能指标，因此对SPS制备的样品主要分析其抗拉强度和硬度。采用500MRA洛氏硬度计测定烧结体试样的洛氏硬度，样品经过打磨抛光后进行测量，每个样品测3个点，取其平均值作为最终结果。采用型号为CMT105的电子拉伸试验机测试室温抗拉强度，拉伸速率为2 mm/min，拉伸样平行段长度为15 mm，宽度和厚度均为3 mm。对每种样品各取三个进行测试，取其平均值作为实验结果。

2 结果与讨论

2.1 Y2O3含量对弥散强化铁合金组织结构和性能的影响

采用相同的水热合成工艺制备不同Y2O3含量的弥散强化铁粉，经过相同的放电等离子烧结（SPS）工艺制备的样品的力学性能见表1。从表1数据可见，当w（Y2O3）＜1.0%时，试样的抗拉强度和硬度随着Y2O3含量的提高而增大，而延伸率则有所降低；当w（Y2O3）＞1.0%后，试样的抗拉强度和硬度随着Y2O3含量的提高而降低。当w（Y2O3）=1.0%时，弥散强化效果最佳，力学性能达到峰值，氧化物的粒子间距比较小，起到了阻碍位错运动的作用；当w（Y2O3）＞1.0%后，弥散相颗粒容易聚集长大，形成连续的氧化物陶瓷相，在基体中不容易分布均匀，从而导致合金发生脆性断裂，抗拉强度下降。

表1 不同Y2O3弥散相含量的弥散强化铁合金力学性能

图1为不含Y2O3的纯铁粉末和w（Y2O3）=1.0%的弥散强化铁合金粉末经过SPS烧结后的微观组织照片。从图1中可以看出，两种成分的材料经过SPS后均已比较致密，没有观察到明显的孔隙，其中纯铁晶粒尺寸约为60 μm，w（Y2O3）=1.0%的弥散强化铁合金晶粒尺寸在10～20 μm，与纯铁相比弥散强化铁合金晶粒尺寸明显更细小，而且比较均匀。这是因为铁基体是一种单相组织，在烧结保温阶段容易长大，未添加Y2O3时，试样的平均粒径比较大，而加入质量分数为1.0%的Y2O3以后，弥散相Y2O3粒子为表面活性物质，在烧结致密化过程中易被吸附于晶粒表面，从而可以有效降低表面能，减小晶粒长大的驱动力，并可以钉扎晶界，最终使材料保持细小的晶粒结构。

图1 相同SPS条件下Fe与Fe-1.0%Y2O3烧结体显微组织照片

图2为w（Y2O3）=1.0%的弥散强化铁合金基体中弥散相粒子在5万倍放大倍数下的形貌与分布特征照片。从图2中可以看到，细小弥散相在基体内基本均匀弥散分布，平均粒径约10～20nm，粒子间距50～100 nm，存在极少数直径为100～200nm的弥散相颗粒。当该尺寸的颗粒在晶粒内部分布时不会对材料造成破坏性作用，在一定程度上具有颗粒强化的效果。

图2 Fe-1.0%Y2O3SPS烧结体中弥散相形貌与分布特征

2.2 合金元素Ti含量对弥散强化铁合金组织结构和性能的影响

采用相同的粉末振动球磨工艺、机械合金化和SPS烧结，制备了Fe-1.0%Y2O3、Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti和Fe-1.0%Y2O3-2.0%Ti三种样品，力学性能数据见表2。从表2可以看出，含Ti样品的硬度、抗拉强度均得到提高，但延伸率降低，其中w（Ti）=0.8%的强化效果优于不含Ti和w（Ti）=2.0%的样品。对Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti样品进行退火后，硬度与强度均有所下降，延伸率改善明显。分析认为，在Fe-1.0%Y2O3中加入Ti有明显的强化效果，但加入Ti过量时会在粉末颗粒边界形成大尺寸TiO2颗粒，一方面阻碍了烧结致密化，使得烧结密度较低，另一方面成为了拉伸断裂时的裂纹源。

表2 机械合金化不同Ti含量SPS样品力学性能

图3和图4分别是上述Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti样品退火前和退火后的FE-SEM扫描照片。从低倍组织中可以看出，经退火处理的烧结体中晶粒基本没有长大，说明弥散相颗粒的存在可以有效抑制晶粒长大；但对高倍照片进行对比分析发现，经过退火处理后，弥散相颗粒变得更细小。目前，普遍认为Ti对ODS铁合金中氧化物弥散相的细化机制是：当有Ti存在时，在机械合金化过程中，Y2O3颗粒发生溶解，并在后续过程中析出，会形成一种新的Yi-Ti-O复杂氧化物。而对析出物的研究则表明在不同合金成分和工艺条件下存在多种氧化相。一些研究认为，以Y-Ti-O复杂氧化物的形式析出并且析出的氧化物颗粒的粒径小于添加的Y2O3的粒径，当O含量较高时，形成的Y-Ti-O复杂氧化物为立方Y2TiO7；当O含量不足时，形成的是六方结构的Y2TiO5［11-13］。

图3 Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti样品退火前FE-SEM扫描照片

图5是Fe-1.0%Y2O3-0.8%TiSPS烧结和退火后样品的拉伸断口的扫描照片。退火前样品的微观断口显示（图5-1）存在类似河流花样的准解理断裂平面，样品经过退火后（图5-2）存在有小而浅的韧窝，其底部存在有第二相质点，可见经过退火后材料由脆性断裂转变为韧性断裂，延伸性明显改善。

图4 Fe-1.0%Y2O3-0.8%Ti样品退火后FE-SEM扫描照片

图5 机械合金化Fe-1.0%Y2O3-0.8%TiSPS样品拉伸断口形貌照片

3 结论

1）弥散相的含量是影响强化效果的重要因素之一。当w（Y2O3）＜1.0%时，抗拉强度随着Y2O3含量的增加而增加；但当w（Y2O3）＞1.0%后，增加Y2O3的含量，抗拉强度反而下降，因此通过水热法制备ODS铁合金的Y2O3最佳含量为w（Y2O3）=1.0%。

2）采用水热合成的Fe-1.0%Y2O3粉末经过放电等离子烧结后样品的相对密度可达到96%，抗拉强度达到536 MPa，与采用同样方法制备的纯铁样品相比抗拉强度提高了近1倍。其中弥散相Y2O3粒子在基体上均匀弥散分布，颗粒的平均粒径约10～20 nm，粒子间距在50～100 nm之间，基本满足弥散强化对弥散相颗粒尺寸和分布的要求。

3）通过机械合金化的工艺向水热合成Fe-1.0%Y2O3粉末中添加不同含量的合金元素Ti，当加入质量分数为0.8%的合金元素Ti时，SPS后样品抗拉强度达到713 MPa，延伸率为0，样品经过退火后抗拉强度降低至677 MPa，延伸率增加到6.2%。

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（编辑：胡玉香）

Influence of Y2O3and Ti Content on the Structure and Performance of ODS Iron Alloy

Zhao Yuzhen，Wang Lixin，Shen Yi
（Taiyuan Iron and Steel（Group）Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

Oxide Dispersion Strengthened（ODS）iron alloy powder with different Y2O3contents is manufactured using hydrothermal method.Through mechanical alloying，Ti（alloying element）with varied mass fractions（0%，0.8%，and 2%）is added to the ODS iron alloy powder.Then the ODS iron alloy is manufactured using spark plasma sintering（SPS）technology.Scanning electron microscopy（SEM）and electron tensile testing machine are used to observe and test the samples.The effects of Y2O3and Ti contents on microstructure and mechanical property are determined.Results show that without Ti，when the dispersed phase Y2O3content is 1%，the ODS iron alloy achieves its optimum mechanical property，with 537 MPa tensile strength.After adding 0.8%Ti，the dispersed phase particles is significantly refined，and the tensile strength and hardness are significantly increased，with the tensile strength reaching 710 MPa.

oxide dispersion strengthened（ODS），hydrothermal synthesis，spark plasma sintering（SPS），mechanical properties

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.05

TG141

A

1672-1152（2015）06-0012-04

2015-11-04

国家科技支撑计划资助项目（课题编号：2012BAE04B01）

赵昱臻（1970—），硕士，从事钢铁材料的研究工作，高级工程师。E-mail：zhaoyz@tisco.com.cn