【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于金屬材料制備，具體涉及一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法。
技術介紹
1、隨著我國航空航天、核工程及石油化工等行業的快速發展，對能夠在極端高溫條件下保持高強度、高抗氧化性和耐腐蝕性的材料需求日益增長。然而，傳統粉末冶金、鑄造等工藝制備的高強鋼在長時間高溫服役下，常因材料軟化、第二相粒子分布不均勻及晶粒粗化等問題而難以滿足極端工況下的使用需求。氣固兩相流作為一種高效的傳質方式，能夠精確控制氣流速度與顆粒濃度，實現對固體顆粒的定位與分散。在噴射沉積過程中，高溫熔融的鋼液與氣固兩相流匯聚，惰性氣體對鋼液流產生一定的沖擊和攪拌作用，有助于鋼液的均勻分散和細化。同時，固體顆粒被帶入鋼液流中，并隨著鋼液噴射而沉積到基底上。氣固兩相流的引入實現了強化相在鋼液中的彌散分布，對材料力學性能影響顯著。
2、基于此，我們提出一種基于氣固兩相流輔助快速凝固的低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備技術。該技術巧妙地將氣固兩相流優異分散能力與噴射沉積快速凝固特性相結合，為解決高溫環境下第二相粒子粗化、分布不均勻等瓶頸問題提供了新思路。
技術實現思路
1、針對現有技術中的不足，本專利技術提供一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法。
2、本專利技術的技術方案是：
3、一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，包括以下步驟：
4、步驟（1）、采用雙真空艙封閉結構裝置：所述雙真空艙結構裝置分為熔煉艙、中間包艙和噴射沉積艙，中間包倉連接熔煉艙和噴射
5、步驟（2）、通過熔煉艙進行真空中頻感應熔煉基體合金，基體合金為高合金鋼種，包括耐磨鋼、中錳鋼和模具鋼，其典型成分具有中高級別碳含量，mn、mo易偏析成分較高，典型成分中，以質量分數計，包含c：0.3~1.2%，cr：3~10%，ni：0.5~2%，mn:0.8~12.5%，mo:0.2~1.5%，其他微合金化nb/v/ti:0.05~0.5%，n≤10ppm，其余為fe；熔煉量1-10t；
6、步驟（3）、步驟（2）熔煉后的基體合金溶液控制過熱度為+30~80℃，關閉中間包艙密封門，由熔煉鋼包進行底吹氬脫渣脫氣處理，打開控制閥2，關閉澆注插板閥6，然后打開熔煉艙和噴射沉積艙的澆注插板閥，啟動高抽速真空泵組，熔煉鋼包通過底部滑板水口控制流量并將304不銹鋼合金溶液注入中間包110~190mm穩定液位，中間包預熱溫度≥1250℃；
7、步驟（4）、低潤濕性硬質相顆粒表面改性：低潤濕性硬質相顆粒包括sic、fe3c、金剛砂和石墨顆粒，低潤濕性硬質相顆粒在液氬中與低碳鋼、fe或者al粉末球磨混均，低潤濕性硬質相顆粒質量分數95%以上；其中，低潤濕性硬質相顆粒粒徑為2.5μm以下，金屬粉末粒徑為25~35μm，球磨時間20小時以上，球磨轉速為280~320r/min，促進低潤濕性硬質相顆粒表面附著金屬粉末，促進低潤濕性硬質相顆粒和基體合金溶液的充分潤濕，其中顆粒提供凝固傳熱比例為30%以上；
8、步驟（5）、經步驟（4）表面改性后的低潤濕性硬質相顆粒在氣固兩相流混均預熱裝置中與惰性氣體ar混合均勻并預熱后形成氣固兩相流，并分兩路由兩相流管道進入噴射機構，基體合金溶液通過噴射機構噴出，惰性氣體ar將低潤濕性硬質相顆粒通過兩相流管道吹入噴射中的基體合金溶液之中，兩者匯聚，沉積在沉積坯上；
9、步驟（6）、氣固兩相流將噴射機構的兩個澆口錠流出的基體合金溶液在噴射沉積艙內充分驅散為均勻液滴，于沉積盤完成沉積坯噴射；
10、步驟（7）、噴射結束后，錠坯頂部溫度控制≤1300℃、錠坯底部溫度控制≤1200℃，取出錠坯后送入1180℃鍛造保溫爐均溫2h，然后鍛造為方坯進行熱軋，終軋厚度為3.0~30mm。
11、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤4個/10mm2，且孔徑≤1.5μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
12、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中低潤濕性硬質相顆粒質量分數為1%以上，低潤濕性硬質相顆粒尺寸控制800~3000nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象，無第二相周圍縮孔現象，強化顆粒增強耐磨壽命30%以上，宏觀硬度提升20%以上，屈服強度、抗拉強度和沖擊功相較于非第二相強化基體下降≤1%。
13、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，步驟（5）表面改性后的低潤濕性硬質相顆粒的預熱溫度為≥650℃，500~3000nm粒徑低潤濕性硬質相顆粒送粉量為320~1200g/min。
14、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，步驟（1）中，中間包下沿水平布置兩個水口，水口直徑為φ4~10mm，單嘴流量25~65kg/min，噴嘴出口流速1.2~2.0m/min，水口位置正對沉積坯半徑1/3和2/3位置，外側噴嘴孔徑面積較之內側孔徑大25%。
15、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，步驟（5）中噴射機構的噴射沉積環開孔數量為10~218個，孔徑為4~10mm，焦距法面以下50~80mm；噴射沉積環為耐熱不銹鋼材質，內表面鍍硬質鉻，hrc52以上；噴射沉積環傾角為-25~+35°，掃描頻率為0~3hz；氣體噴射壓力為0.5~0.857mpa，單個噴射沉積環噴氣量為10~40m3/min。
16、進一步的，上述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，步驟（6）噴射沉積過程中，沉積盤距離噴射沉積環下端控制距離為180~500mm，沉積坯直徑為300~600mm，沉積盤旋轉速度為30~90r/min，下降速度為60~120mm/min，控制表面熔池深度為1~2.5mm。
17、本專利技術的優點及有益效果：
18、1、本專利技術利用氣固兩相流技術精準控制，將尺寸可控的第二相粒子精準注入鋼液中，避免團聚現象，顯著提升強化效果；
19、2、本專利技術結合噴射沉積快速凝固技術，迅速冷卻鋼液，實現第二相粒子釘扎位錯，細化晶粒，從而提升鋼材的綜合力學性能，滿足極端工況下的應用需求；
20、3、本專利技術選擇高溫穩定且強化效果顯著的第二相粒子sic或金剛砂等顆粒，這些粒子在高溫環境下能夠保持穩定的物理化學性質，為高強鋼提供持久的強化作用；
21、4、本專利技術完全在真空環境下進行噴射成形，沉積過程減少了材料的氧化和污染，降低了后續處理成本。
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1.一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤4個/10mm2，且孔徑≤1.5μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
3.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中低潤濕性硬質相顆粒質量分數為1%以上，低潤濕性硬質相顆粒尺寸控制800~3000nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象，無第二相周圍縮孔現象。
4.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5）表面改性后的低潤濕性硬質相顆粒的預熱溫度為≥650℃，500~3000nm粒徑低潤濕性硬質相顆粒送粉量為320~1200g/min。
5.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，中間包下沿水平布置兩個水口，水口直徑為φ4~10mm，單嘴流量25~65kg/min，噴嘴出口流速1.2~2
6.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5）中噴射機構的噴射沉積環開孔數量為10~218個，孔徑為4~10mm，焦距法面以下50~80mm；噴射沉積環為耐熱不銹鋼材質，內表面鍍硬質鉻，HRC52以上；噴射沉積環傾角為-25~+35°，掃描頻率為0~3Hz；氣體噴射壓力為0.5~0.857MPa，單個噴射沉積環噴氣量為10~40m3/min。
7.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（6）噴射沉積過程中，沉積盤距離噴射沉積環下端控制距離為180~500mm，沉積坯直徑為300~600mm，沉積盤旋轉速度為30~90r/min，下降速度為60~120mm/min，控制表面熔池深度為1~2.5mm。
...【技術特征摘要】
1.一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤4個/10mm2，且孔徑≤1.5μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
3.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中低潤濕性硬質相顆粒質量分數為1%以上，低潤濕性硬質相顆粒尺寸控制800~3000nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象，無第二相周圍縮孔現象。
4.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5）表面改性后的低潤濕性硬質相顆粒的預熱溫度為≥650℃，500~3000nm粒徑低潤濕性硬質相顆粒送粉量為320~1200g/min。
5.根據權利要求1所述的一種低潤濕性硬質相顆粒強化高強鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，中間包下沿水平布置...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王建斌，張元祥，王洋，方烽，李成剛，李振壘，王國棟，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：
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