一種新型抗氦離子濺射的釩合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料釩合金的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種新型抗氦離子濺射的釩合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]釩合金相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)材料而言，具有優(yōu)良的低活化特性和高溫強(qiáng)度以及韌脆轉(zhuǎn)變溫度低等優(yōu)點(diǎn)，該合金在聚變反應(yīng)堆的第一壁、包層和偏濾器等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中備受關(guān)注，且最有希望應(yīng)用于Li/V包層中。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)深入的研究，并根據(jù)多項(xiàng)性能考核結(jié)果，美國(guó)、日本等國(guó)首推V-4Cr_4Ti為聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料，在聚變堆中，氘氚等離子體以及從等離子區(qū)逃逸的α粒子均會(huì)對(duì)V-4Cr_4Ti合金產(chǎn)生氦離子輻照和濺射，從而導(dǎo)致其表面鼓泡、起皮等，因此V-4Cr-4Ti合金抗氦離子派射的能力有待改善。
[0003]為了提高V-4Cr_4Ti合金抗氦離子濺射的能力，有效減少氦離子在合金表面濺射所引起的鼓泡和掉皮現(xiàn)象，可以通過(guò)減少V-4Cr-4Ti合金中固溶氧的含量，從而減少氧脆現(xiàn)象。而在V-4Cr-4Ti合金中摻雜稀土元素則可以有效降低合金中固溶氧的含量及合金的晶粒尺寸，合金中的固溶氧含量及晶粒尺寸的減少均有利于合金韌性的提高，從而可望改善該合金抗氦離子濺射的能力。因此，在V-4Cr-4Ti合金熔煉的過(guò)程中添加適量的稀土元素，可以制備出較好抑制氦離子濺射的釩合金。
[0004]目前，聚變堆結(jié)構(gòu)材料V-4Cr_4Ti合金的制備技術(shù)已有大量研究成果，例如:
[0005](I)ff.R.Johnsonand,J.P.Smith.Fabricat1n of a 1200kg ingot of V-4Cr-4Ti alloy for the D ΙΠ-D rad1active divertor program,J.Nucl.Mater.,258-263(1998):1425;
[0006](2)T.Nagasaka,N.J.Heo,T.Muroga,et al.Examinat1n of fabricat1nprocess parameters for improvement of low-activat1n vanadium alloys,Fus1nEng.Des.,61-62(2002)757-762；
[0007](3)A.N.Tyumentsev,A.D.Korotaev,Yu.P.Pinzhin,et al.Effect of the modesof thermomechanical treatment on the format1n of the multiphase and grainstructure of V-4T1-4Cr alloys,J.Nuc1.Mater.,329-333(2004)429-433；
[0008](4)李魚飛.V-4Cr_4Ti合金的制備及組織結(jié)構(gòu)研究[碩士論文].中國(guó)工程物理研究院研究生部；
[0009](5)中國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào):CN105154737A公開了一種釩鉻鈦合金板的制備工藝，該合金板的組成為V:88?94%，Cr:2.9?6%，T1:2.6?6%，余量為不可避免的雜質(zhì)，該技術(shù)采用金屬熱還原法+真空感應(yīng)精煉法制備合金鑄錠。
[0010]而在V-4Cr-4Ti合金中摻稀土元素的報(bào)道則比較少，相關(guān)文獻(xiàn)包括:
[0011](I)Toshinori Chuto,Manabu Satou,Akira Hasegawa,et al.Fabricat1nusing a levitat1n melting method of V-4Cr-4T1-S1-Al_Y alloys and theirmechanical properties,J.Nuc1.Mater.,307-31I(2002)555-559；
[0012](2)Takuya Nagasaka,Takeo Muroga,Takeshi Hino,et al.1mpurity behav1rin V-4Cr-4T1-Y alloys produced by levitat1n melting,J.Nucl.Mater.,367-370(2007):823o
[0013]這兩篇文獻(xiàn)報(bào)道的V-4Cr-4Ti_Y合金鑄錠的制備方法均采用磁懸浮熔煉法制備，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)；同時(shí)，釔的添加形式為金屬釔，由于金屬釔非?；顫?，在添加前極易氧化，因此也嚴(yán)重影響了合金的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種新型抗氦離子濺射的釩合金及其制備方法，其可在不影響合金性能的前提下，大幅增強(qiáng)抗氦離子濺射的能力。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0016]—種新型抗氦離子濺射的釩合金，由重量百分比為以下數(shù)值的組分組成:
[0017]Cr:3.0 ?6.5%
[0018]T1:3.0 ?6.5%
[0019]Υ:0.1 ?2.0%
[0020]V:余量。
[0021]基于上述合金，本發(fā)明還提供了制備該種抗氦離子濺射釩合金的方法，包括以下步驟:
[0022](I)以純釩枝晶、純鈦顆粒、純鉻顆粒、鈦釔中間合金為原料，經(jīng)表面預(yù)處理后，按釩合金成分的重量百分比各自備料；
[0023](2)將各種原料混合，然后依次進(jìn)行熔煉、澆注，制成V-Cr-T1-Y合金鑄錠；
[0024](3)將得到的合金注定重熔3?5次，然后進(jìn)行退火處理，處理溫度為700?900°C，時(shí)間為3?48h;
[0025](4)制備包套，并將經(jīng)退火處理后的合金鑄錠裝入包套中；
[0026](5)對(duì)包套抽真空至I?3\10—屮&，然后在3011^11之內(nèi)加熱至800?900°(3，并保溫30?120min;
[0027](6)保溫結(jié)束后，將包套封口焊接；
[0028](7)將封裝后的合金于30min之內(nèi)加熱至800?1200°C，然后放入模具中進(jìn)行多次變形處理，每次變形量均不超過(guò)15%，且每次變形處理的溫度為800?1200°C，直至變形量達(dá)到50%后，進(jìn)行空冷；
[0029](8)去除包套，然后將合金于800?1100°C下真空退火處理30min以上，以消除應(yīng)力；
[0030](9)在室溫空氣氣氛條件下，將退火后的合金進(jìn)行多次冷變形，每次冷加工的變形量均不超過(guò)10%，直至總變形量達(dá)到70?95% ；
[0031](10)將冷變形后的合金進(jìn)行退火處理，處理溫度為800?1100°C，退火時(shí)間為60?120min，退火后，即可得到抗氦離子濺射的釩合金材料。
[0032]作為優(yōu)選，所述鈦釔中間合金為Ti_20Y中間合金。
[0033]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，采用非自耗電弧熔煉爐或自耗電弧熔煉爐對(duì)混合的原料進(jìn)行熔煉;并且對(duì)合金的熔煉和澆注均在純度高于99.99 %的氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。
[0034]再進(jìn)一步地，所述步驟⑶中，將重熔3?5次后的合金鑄錠在真空度優(yōu)于IX 10—3Pa的條件下均勻化退火。
[0035]作為優(yōu)選，所述包套的材質(zhì)為不銹鋼。
[0036]更進(jìn)一步地，所述步驟(7)中的模具為用于成形棒、板、管、線或型材的模具;并且所采用的變形處理方式為乳制和鍛造中的一種或兩種。
[0037]更進(jìn)一步地，所述步驟(10)中，將冷變形后的合金在真空度優(yōu)于IX 10—3Pa的真空條件下進(jìn)行退火處理。
[0038]本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理如下:
[0039]由于釩合金抗氦離子濺射的能力與該合金中固溶氧含量及晶粒尺寸密切相關(guān)，因此，通過(guò)在合金中添加含稀土元素的中間合金，可以使稀土元素奪取釩合金基體中的固溶氧形成稀土氧化物，從而實(shí)現(xiàn)該合金的凈化和晶粒細(xì)化。本發(fā)明制備的合金為V-Cr-T1-Y合金，該合金以V-Cr-Ti三元合金系為基礎(chǔ)，將Cr、Ti作為主要合金元素，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的合金化手段，利用稀土元素對(duì)氧的強(qiáng)烈親和作用，在熔煉過(guò)程中形成稀土氧化物，如此一來(lái)，一方面，其降低了合金中固溶氧的含量，改善了氧脆的現(xiàn)象；另一方面，高溫熔液中形成的釔氧化物在釩合金熔液冷卻凝固過(guò)程中可以起到晶粒細(xì)化劑的作用。這兩方面的有效結(jié)合可以使釩合金抗氦離子濺射的能力得到大幅增強(qiáng)。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0041](I)本發(fā)明以V-Cr-Ti三元合金系為基礎(chǔ)，將Cr、Ti作為主要合金化元素，通過(guò)簡(jiǎn)單的