CN114807741A - 一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，属于金属材料制造领域。本发明针对低Ti/C比、含Si奥氏体不锈钢进行，首先在合金制备过程中利用真空自耗重熔和高温均匀化等方法促进一次碳化物溶解，其次采用冷加工变形在合金中制备出大量变形孪晶，最后通过低温时效处理在合金中实现二次碳化物TiC的细小弥散析出。碳化物颗粒能够钉扎位错提高材料强度，同时提供大量非共格相界面吸收空位提高材料的抗辐照肿胀性能。

Description

一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法
技术领域
本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法。
背景技术
316Ti、15-15Ti等奥氏体不锈钢材料因具有良好的综合力学性能和加工性能，在***先进核能***的燃料包壳制造中获得了广泛应用。这类核级奥氏体不锈钢材料均为奥氏体单相组织，晶内析出相数量较少，主要依靠固溶强化、晶界强化和变形强化。T91等铁素体/马氏体不锈钢是另一类具有较高应用潜力的燃料包壳结构材料，其马氏体晶粒内部存在大量马氏体板条和析出相。由于大量晶内界面和第二相的存在，这使得在中低温条件下铁马钢的合金强度和抗辐照肿胀性能要优于奥氏体不锈钢。因此，有必要进一步针对奥氏体不锈钢的化学成分和加工工艺进行改进，提高其中温强度和抗辐照肿胀性能。
发明内容
为了提高奥氏体不锈钢的强度和抗辐照肿胀性能，本发明的目的在于提供一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，该方法能够促进碳化物在奥氏体不锈钢中细小弥散析出，具体为通过施加冷变形在奥氏体不锈钢晶粒内形成变形孪晶，再进行低温时效处理促使碳化物在变形孪晶区域内析出。利用第二相钉扎位错和相界面吸收空位提高材料强度和抗肿胀性能。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，该方法包括以下步骤：
(1)合金冶炼与热变形：将奥氏体不锈钢进行双真空冶炼与热变形开坯；
(2)合金冷加工变形：将热变形开坯后的合金进行多道次的冷变形加工；
(3)时效处理：通过低温长期时效热处理诱导碳化物析出，从而提高奥氏体不锈钢的中温强度和抗辐照肿胀性能。
步骤(1)中，冶炼前奥氏体不锈钢的化学成分为(wt.％)：C 0.04-0.08％、Cr15.5-20.0％、Ni 14.5-16.5％、Si 0.4-2.0％、Mn 1.5-3.0％、Ti 0.2-0.5％、Mo 1.3-2.5％、B 0.003-0.004％，余量为Fe。
步骤(1)中，合金化学成分中Ti/C重量比不大于5，低Ti/C能够减少合金在冶炼过程中碳化物TiC的析出。
步骤(1)中，合金化学成分Si含量优选为1.0-2.0wt.％，Si元素添加能够降低C在熔体中的活度，抑制TiC析出。同时还能降低合金层错能，促进变形孪晶形成。
步骤(1)中，合金冶炼采用真空感应熔炼加真空自耗重熔工艺的双真空冶炼工艺，真空自耗重熔过程能够进一步降低铸锭中TiC的数量。
步骤(1)中，自耗锭在热变形开坯前在1200-1250℃进行12-15h的高温均匀化处理并水冷，溶解铸锭中已经析出的TiC碳化物，促进元素均匀化扩散，避免已溶解的碳化物在后续热变形过程中再次析出；合金热变形完成后水淬冷却，避免碳化物在冷却过程中析出。
步骤(2)冷变形加工中通过多道次冷轧将合金加工成厚度为1.0-3.0mm的板材；每道冷轧变形后进行退火处理，每次的退火处理温度为1020-1060℃，退火时间不超过30min，减少TiC在退火过程中的析出；每道冷轧变形后的退火处理采用气淬冷却，增大冷却速率避免TiC在冷却过程中析出；最后一次退火处理完成后对板材进行15-30％的冷变形，在合金组织中制备出变形孪晶。
步骤(3)中，对合金进行低温时效处理，时效温度为400-500℃，时效时间为100-500h。
所述合金板材在最后一道冷轧变形完成后可在晶粒内部形成大量变形孪晶。所述冷变形合金板材在低温时效处理后可在变形孪晶区域中形成大量细小TiC碳化物颗粒，尺寸不大于100nm。
TiC是含Ti奥氏体不锈钢中的重要第二相，一般具有几何外形，尺寸数微米左右，在晶内离散分布。这些大尺寸TiC颗粒属于一次碳化物，主要形成于合金冶炼过程中的液相熔体。由于一次碳化物数量较少、尺寸较大，对合金强度贡献较小。除在液相中形成外，TiC碳化物也可能在合金的热变形或热处理过程中析出。这些在固相中析出的碳化物称为二次碳化物。二次TiC颗粒尺寸较小，约数百纳米，一般优先在晶界、位错等缺陷位置形核析出，能够起到一定的沉淀强化作用。
本发明通过冷变形在晶内引入大量变形孪晶。变形孪晶具有片层密度高、片层厚度小的特点，能够为碳化物析出提供大量初始形核位置。在低温、长时的时效处理中，TiC在变形孪晶区域内的孪晶面和位错线上大量形核。由于热处理温度较低，碳化物的析出以形核为主、长大为辅，形成了细小、弥散的分布状态。从组织-性能关系分析入手，细小弥散分布的TiC颗粒能够为奥氏体不锈钢主要带来两点性能改善。首先，TiC能够阻碍位错运动提高合金强度。其次，由于TiC与奥氏体基体一般不存在共格关系，大量碳化物析出将在合金中产生大量非共格相界面。非共格界面是常见的空位阱，能够有效吸收空位，避免辐照过程中空位聚集形成空洞，进而提高材料的抗辐照肿胀性能。
本发明具有如下有益效果：
本发明针对低Ti/C比、含Si奥氏体不锈钢进行，该工艺方法通过冷变形在合金中制备出大量变形孪晶，孪晶界和位错为碳化物析出提供大量形核位置，在低温、长时时效处理中引发TiC在合金晶内的细小弥散析出，提高合金的强度与抗辐照肿胀性能。
附图说明
图1是实施例1所得样品的SEM显微组织形貌照片。
图2是对比例1所得样品的SEM显微组织形貌照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
采用真空感应熔炼加真空自耗重熔制备母合金铸锭，冶炼前合金配料成分为(wt.％)：C 0.06％、Cr 17.0％、Ni 15.0％、Si 2.0％、Mn 1.5％、Ti 0.24％、Mo 1.50％，余量为Fe。合金Ti/C重量比为4。自耗锭冶炼完成后在马弗炉中进行1200℃×12h的高温均匀化处理，完成后水冷冷却。自耗锭经锻造与热轧形成10mm厚热轧板。热轧板经两道冷轧与两道退火处理制备成2.5mm厚的冷轧板材。冷轧板材的退火热处理在真空气淬炉中进行，热处理制度为1050℃×20min。最后一道热处理完成后通过冷轧对板材施加冷变形，变形后板材厚度为1.9mm，变形量约为24％。在冷变形板材上取样进行450℃×120h的低温长时热处理。所得样品的SEM显微组织如图1所示。
实施例2：
采用真空感应熔炼加真空自耗重熔制备母合金铸锭，冶炼前合金配料成分为(wt.％)：C 0.06％、Cr 17.0％、Ni 15.0％、Si 2.0％、Mn 1.5％、Ti 0.24％、Mo 1.50％，余量为Fe。合金Ti/C重量比为4。自耗锭冶炼完成后在马弗炉中进行1200℃×12h的高温均匀化处理，完成后水冷冷却。自耗锭经锻造与热轧形成10mm厚热轧板。热轧板经两道冷轧与两道退火处理制备成2.5mm厚的冷轧板材。冷轧板材的退火热处理在真空气淬炉中进行，热处理制度为1050℃×20min。最后一道热处理完成后通过冷轧对板材施加冷变形，变形后板材厚度为2.0mm，变形量约为20％。在冷变形板材上取样进行450℃×480h的低温长时热处理。
对比例1：
采用真空感应熔炼加真空自耗重熔制备母合金铸锭，冶炼前合金配料成分为(wt.％)：C 0.06％、Cr 16.0％、Ni 15.0％、Si 0.4％、Mn 1.5％、Ti 0.36％、Mo 1.50％，余量为Fe。合金Ti/C重量比为6。自耗锭冶炼完成后在马弗炉中进行1200℃×12h的高温均匀化处理，完成后水冷冷却。自耗锭经锻造与热轧形成10mm厚热轧板。热轧板经两道冷轧与两道退火处理制备成2.5mm厚的冷轧板材。冷轧板材的退火热处理在真空气淬炉中进行，热处理制度为1050℃×20min。最后一道热处理完成后通过冷轧对板材施加冷变形，变形后板材厚度为2.05mm，变形量约为18％。在冷变形板材上取样进行550℃×120h的低温长时热处理。所得样品的SEM显微组织如图2所示。
对上述实施例和对比例所得样品进行室温拉伸性能测试，其结果见表1。
表1实施例与对比例所得样品室温拉伸性能对比
屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 892 978 20
实施例2 868 969 24
对比例1 618 750 33
以上实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)合金冶炼与热变形：将奥氏体不锈钢进行双真空冶炼与热变形开坯；
(2)合金冷加工变形：将热变形开坯后的合金进行多道次的冷变形加工；
(3)时效处理：通过低温长期时效热处理诱导碳化物析出。
2.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，冶炼前奥氏体不锈钢按重量百分比计的化学成分为：C 0.04-0.08％、Cr 15.5-20.0％、Ni 14.5-16.5％、Si 0.4-2.0％、Mn 1.5-3.0％、Ti 0.2-0.5％、Mo 1.3-2.5％、B0.003-0.004％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，合金化学成分中，Ti/C重量比不大于5，合金化学成分Si含量为1.0-2.0wt.％。
4.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，合金冶炼采用真空感应熔炼加真空自耗重熔工艺的双真空冶炼工艺。
5.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，自耗锭在热变形开坯前在1200-1250℃进行12-15h的高温均匀化处理并水冷；合金热变形完成后水淬冷却，再进行步骤(2)。
6.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(2)冷变形加工中，每道冷轧变形后进行退火处理，每次退火温度为1020-1060℃，退火处理时间不超过30min，退火处理采用气淬冷却。
7.根据权利要求6所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(2)中，最后一次退火处理完成后对板材进行15-30％的冷变形。
8.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(3)中，对合金进行低温时效处理，时效温度为400-500℃，时效时间为100-500h。
9.根据权利要求1所述的基于碳化物析出提高奥氏体不锈钢性能的方法，其特征在于：步骤(3)中，制备的奥氏体不锈钢样品在变形孪晶区域中形成大量细小TiC碳化物颗粒，尺寸不大于100nm。
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