VIM-IESR流程制备Y、Ti微合金化纳米结构ODS钢的氧化物冶金理论研究

The oxide dispersion strengthened (ODS) steel is one of the most promising candidate materials for the first wall component in fusion reactors and cladding materials in fast breeder reactors. The most frequently used method of manufacturing ODS alloys is powder metallurgy(PM), which consists of mechanical alloying, but it difficult to meet the production requirements of large size workpiece and the homogeneous dispersion of nano-oxides.Therefore, based on the former results and the oxides metallurgy theory, the new microalloying method by adding Yttrium and Titanium alloys when there are some dissolved oxygen in molten steel for producing Y-Ti-O oxide required by ODS steel,and the new process of VIM(Vacuum Induction Melting)-IESR(Inert Electro Slag Remelting)-HR(Hot Roll)-HT(Heat Treatment)for manufacturing nanostructures ODS steel are designed here. Technological feasibility and metallurgical mechnisums of these are studied by doing the following works: thermodynamics mechanisms for the formation and precipitation of the Y-Ti-O oxides in ODS steels in this process, the technologies for getting the nanoscale Y-Ti-O oxides and homogenization solidification, the evolution behavior of the oxide in the new melting process, and the effect mechanism of the inclusions on the solidification structure of the ingot.The final purposes are produceing ODS steel by this new process and getting the systematic metallurgical theory.

ODS钢是最有可能成为聚变反应堆第一壁和快速中子反应堆包壳的候选材料之一，其常用制造方法是利用机械合金化的粉末冶金方法，但该方法难以满足大规格工件的生产及纳米氧化物均匀弥散分布的要求。因此，根据前期研究成果，基于氧化物冶金理论，申请者提出在真空感应熔炼过程控氧条件下进行Ti、Y微合金化生成ODS钢所需的含Y-Ti-O氧化物的新方法，用夹杂物细化钢的凝固组织，利用“真空感应熔炼（VIM）—保护气氛电渣重熔（IESR）—轧制—热处理”流程制备纳米结构ODS钢的新工艺。研究ODS钢中含Y-Ti-O氧化物的形成和析出热力学机理，开发含Y-Ti-O氧化物获得技术及均质化凝固技术，研究含Y-Ti-O氧化物的演变行为规律及其改善凝固组织的作用机理，探索采用“VIM—IESR—轧制—热处理”流程制备纳米结构ODS钢新工艺的可行性，最终制备出性能达标的ODS钢，并形成系统的冶金工艺理论。

ODS钢是最有可能成为聚变反应堆第一壁和快速中子反应堆包壳的候选材料之一。最常用的制造ODS钢的方法是利用机械合金化的粉末冶金方法，但该方法难以满足大规格工件的生产及纳米氧化物均匀弥散分布的要求。因此，根据前期研究成果，基于氧化物冶金理论，申请者提出在真空感应熔炼过程控氧条件下进行Ti、Y微合金化生成ODS钢所需的含Y-Ti-O氧化物的新方法。项目利用金相显微镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜、透射电镜等手段，开展了热力学计算、数值模拟、MoSi2炼钢实验、真空感应炉炼钢实验、电渣重熔实验、轧制及热处理实验等研究工作。项目采用在真空感应熔炼过程控氧条件下，利用Ti、Y微合金化生成ODS钢所需的含Y-Ti-O氧化物，并用夹杂物细化钢的凝固组织，通过电渣重熔工艺提高了洁净度并改善了偏析程度，形成了采用“VIM—IESR—轧制—热处理”工艺流程制备纳米结构ODS钢的系统工艺理论，对加快纳米结构ODS钢工业化生产进程具有重要指导意义。通过此工艺制备的ODS钢具有优良的综合力学性能，其室温屈服强度及抗拉强度分别达到645 MPa和760 MPa；600°C屈服强度及抗拉强度分别达到380 MPa和407 MPa， DBTT均低于−70°C，室温和600°C的高温性能均高于传统CLAM钢及国外同类钢种Eurofer97钢的性能。通过本研究，共发表论文27篇(含录用3篇)，其中基金第一标注SCI论文收录8篇，EI收录1篇，中文核心期刊4篇，会议论文7篇；基金第二标注SCI论文收录5篇；授权发明专利4项。培养毕业博士1名，毕业硕士4名。