弥散强化铸造合金制备工艺的研究

第21卷第11期2009年11月

钢铁研究学报

Jo urnal o f Iro n and Steel Resear ch

V o l.21,N o.11N o vember 2009

基金项目:国际科技合作项目(20061415)

作者简介:冯 硕(1985-),男,硕士生; E -mail:fengs huo1985a@yahoo 1com 1cn; 修订日期:2009-07-02

弥散强化铸造合金制备工艺的研究

冯 硕1, 韩 伟2, 骆合力1, K arin G 3, 李长海3

(1.钢铁研究总院高温材料研究所,北京100081; 2.中国钢研科技集团公司集团办公室,北京100081;3.Chalmers 工业大学材料科学与工程学院,瑞典哥德堡SE -41296)

摘 要:通过铸造实现弥散强化是不同于传统粉末冶金弥散强化的新途径。总结了现有的几种用铸造实现弥散强化的工艺。如何在钢液中获得大量超细的第二相粒子、大量超细的第二相粒子在钢液中的行为、第二相粒子在凝固前沿的行为这三个基本问题决定最终强化的效果。对这三个基本问题进行了理论分析,指出了工艺的几个关键点。

关键词:弥散强化;铸造合金;制备工艺

中图分类号:T G136+11 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2009)11-0051-05

Analysis of Casting Technique for Dispersion Strengthening

FENG Shuo 1

, H AN Wei 2

, LU O H e -li 1

, Karin G 3

, LI Chang -hai

3

(1.H ig h T emper atur e M aterial Research Institute,Cent ral Iro n and Steel Resear ch I nstit ute,Beijing 100081,China;2.Gr oup O ffice,China Iro n and Steel Research Institute G ro up,Beijing 100081,China; 3.Department of M aterials Science and Engineer ing,Chalmers U niver sity o f T echno log y,Go thenbur g SE -41296,Sweden)

Abstract:D isper sion strengthening thro ug h so lidificat ion pr ocessing is an inno vative route compared w ith tradition -al pow der metallurg y r oute.Ex isting casting techniques w hich can realize disper sion str eng thening are rev iewed.H ow to achieve a la rge number of ultr afine second phase par ticles in liquid metal,the behavior of these particles in liquid met al and the behav ior o f these part icles at the so lid/liquid interface are three basic issues t hat contro l the f-i nal strengt hening effect.T he basic issues inv olv ed ar e analyzed and so me key po ints are sug gested.Key words:disper sion strengthening;casting alloy ;pro cess

在合金的各种强化方法(亚结构强化、固溶强化、析出强化、复合强化和弥散强化)中,弥散强化是一种比较独特的强化方法。亚结构强化、固溶强化、析出强化的强化效果随温度升高而逐渐减弱直至消失。弥散强化采用超细的稳定的碳化物、氮化物、氧化物强化合金基体,这些稳定的第二相粒子即使在高温下也不聚集长大,其强化效果可一直保持到很高的温度(甚至到熔点附近),因此弥散强化合金在高温下有很大的优势

[1]

。弥散强化与复合强化的区

别在于:弥散强化采用小体积分数(一般小于5%)的超细的第二相粒子强化,而复合强化则采用大体

积分数(一般大于20%)的晶须、纤维等强化。为了在合金基体中引入大量超细稳定的第二相粒子,传统的弥散强化合金都采用粉末冶金的方法制造。粉末冶金弥散强化合金采用内氧化法、共沉淀法、机械合金化(M A)等手段获得超细的稳定的第二相粒子在合金基体上均匀弥散的分布。虽然传统弥散强化合金取得很大成功,但由于工艺的复杂性、成本高、焊接性能不佳等因素限制了其进一步发展。采用其他工艺如铸造制备弥散强化合金的研究虽然不多,但也取得了一定的成功。本文对现有的几种可实现弥散强化的铸造工艺进行了总结,并对工艺过程涉

及的几个基本问题进行了分析。

1现有的实现弥散强化的铸造工艺111喷射弥散强化法

喷射弥散强化法(Spray Dispersion M ethod,SD 法)由日本的长谷川正义于20世纪70年代提出。SD方法在钢液浇入钢锭模过程中,靠等离子喷射给粉器用压缩氩气把氧化物、碳化物、硫化物等粉末喷射到钢液流中,实现弥散分布和强化。为降低钢液的表面张力和氧化物-钢液界面的界面张力需加入控制元素,如V、Cr、M o、N b等。该方法在碳钢、不锈钢、热强钢、镍铬合金中已经实现。由SD方法获得的弥散强化合金中弥散分布的粒子平均尺寸在70纳米到几百纳米之间(SD方法喷入的是微米级的颗粒,这些微米级颗粒被等离子给粉器中强大的氩气气流破碎为纳米颗粒)。弥散粒子的平均尺寸与合金体系和弥散控制元素的含量有很大的关系。这些弥散分布的粒子对合金的室温和高温的短时强度以及蠕变抗力的提高均有帮助[2~4]。

112超声搅拌法

向高温熔体中直接加入超细的或纳米级的粒子,往往因为粒子的团聚而无法实现弥散强化。在通常制备纳米粒子时,人们多采用超声波和一定的分散介质来分散纳米粒子,于是出现了超声搅拌(Ultrasonic Dispersion)法制备弥散强化合金的工艺。Yong Yang等利用超声搅拌含有纳米SiC粉末的铝合金A356熔体获得纳米SiC强化的铝合金。超声振动起到打开纳米粒子间团聚和提高纳米粒子与熔体界面润湿性的作用。用该方法制得的纳米粒子强化的铝合金的室温屈服强度和抗拉强度均有明显提高[5]。

113DMD法和涡流法

DMD(Disinteg rated Melt Deposition)法和涡流(Vortex)法通过将强化相颗粒通过机械搅拌混入熔体之中。DMD法将混有强化相颗粒的熔体雾化沉积得到锭子,锭子经(挤压等)变形后得到最终的块体材料。S F H assan等利用DMD方法制得纳米Y2O3强化的镁合金。由此法获得镁合金晶粒变细、强度提高、断裂功增加。纳米Y2O3的加入引发了非基面滑移的出现并改变了镁合金的断裂模式:从纯镁的解理断裂模式转变为混合(韧窝和沿晶)断裂模式[6]。114其他方法

除了以上几种方法,有人还提出几种新的工艺:认为将超细粒子先分散在粒子容易分散的介质(固、液、气态)中,然后再将分散好的粒子引入合金的熔体之中,以此实现弥散强化[7,8]。其中专利[8]就设计了一种装置,将超细粒子分散在易挥发的液态介质(如酒精)中,然后将分散有超细粒子的液态介质喷向熔池表面,液态介质稍受热就挥发了,超细粒子以分散的状态落在熔池表面而后由机械搅拌造成的流动带入熔池内部。

2理论分析

在铸造过程中实现弥散强化涉及三个基本问题:如何在(高温)钢液中得到大量超细的弥散分布的第二相粒子、大量超细的第二相粒子在钢液中的行为、超细的第二相粒子在凝固前沿的行为。下面分别讨论这几个问题。

211大量超细的第二相粒子的获得

21111第二相粒子尺寸对数密度及强化效果的影响第二相粒子数密度N v(1/m3)用下式计算:

N v=6P Q1Q

2

f w

d3

(1)式中,Q1(kg/m3)和Q2(kg/m3)分别为基体和第二相的密度;f w是第二相的质量分数;d(m)是第二相粒子的平均直径。

第二相粒子的间距K(m)则用以下公式计算:

K=r4P

3f v

1/3

(2)式中,r(m)代表第二相粒子的平均半径;f v代表第二相粒子的体积分数f v=

Q1

Q2f w。

由于弥散相粒子的存在而增加的合金的屈服强度$S(MPa)与粒子间距K有如下的关系式:

$S W1K(3)

表1列出了(粒子质量分数保持不变f w= 01005时)随着粒子尺寸的改变,粒子数密度、粒子间距和强化效果的改变。从中可以看出,随着弥散相粒子尺寸d的增大,弥散相粒子的数密度急剧减小,弥散相粒子所带来的强化效果迅速减少。如当粒子平均直径由10nm增加到100nm时,弥散强化效果只剩下10%了。ODS高温合金中通常加的是平均尺寸小于50nm质量百分数在015%~1%之间

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