一种高强高韧的钒合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高强度高韧性的钒合金，该钒合金的各组分的重量百分比为：Cr(铬)3.2～6.0wt％，Ti(钛)3.2～6.0wt％，Y(钇)和Zr(锆)总量0.1～4.0wt％，具体是以V‑Cr‑Ti三元合金系为基础，添加Y元素和Zr元素后，经过熔炼→均匀化处理→包套→热变形→退火→冷变形→再结晶退火等步骤合成得到的V‑Cr‑Ti‑(Y+Zr)合金，该钒合金兼顾室温和高温的强度和韧性，可作为潜在的聚变堆、裂变堆用结构材料；而该制备方法则可用于大规模生产该钒合金。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料和金属材料加工领域，具体涉及一种高强高韧的钒合金及其制备方法。
技术介绍
钒合金是以钒为基加入其他合金化元素组成的合金，相对于其它结构材料而言，具有高温强度和韧脆转变温度低、以及优良的低活化特性等优点，因此在聚变反应堆的第一壁、包层和偏滤器等结构优选合金材料，且最有希望应用于Li/V包层中。经过系统深入的研究，以及多项性能考核结果，美国、日本等国家首推V-4Cr-4Ti为聚变堆结构材料的候选材料。然而，现有技术中的钒合金的室温力学性能有待提升，且其在高温下容易氧化或吸氧，导致其在高温下的力学性能急剧下降，表现在其塑性和韧性均降低，除此之外，合金的热加工性能也会受到不利的影响。近年来，已有少量的研究工作者通过了一定的方法来强化V-Cr-Ti合金，如公开号为CN103422039A的专利技术专利申请文件公开了一种强化V-4Cr-4Ti合金的方法，该方法通过一定热处理与冷加工的结合，使其室温下抗拉强度692MPa、700℃下抗拉强度562MPa，可见，该方法显著提高了V-4Cr-4Ti合金的强度，然而，该方法会使合金的塑性严重下降，而且该方法中使用的强化相为Ti-(CON)析出相，在700℃以上时该析出相会大量溶解于基体，将严重影响该合金在700℃以上的力学性能。公开号为CN103320664的专利技术专利申请文件公开了一种Ti3SiC2弥散强化V-4Cr-4Ti合金，这种弥散强化钒合金的室温抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10％，但Ti3SiC2是一种陶瓷，不可直接通过熔炼的方法添加至钒合金中，需要采用粉末冶金的方法来制备钒合金，而纯钒原料在制粉过程中容易氧化，因此制备工艺过程对生产条件要求苛刻，且粉末冶金法难以大规模生产钒合金。公布号为CN105506428A的专利技术专利申请文件则公开了一种V-Cr-Ti-Y的钒合金，该合金是以V-Cr-Ti三元合金系为基础，然后通过简单的合金化手段，利用稀土元素Y对氧的强烈亲和作用，在熔炼过程中形成稀土氧化物，从而降低钒合金中固溶氧的含量，改善了氧脆的现象；同时，高温溶液中形成的钇氧化物在钒合金溶液冷却凝固过程中可以起到晶粒细化剂的作用，提高了合金的韧性，然而，并不能够提高合金的强度。因此，提供一种高强高韧的钒合金及其制备方法是一个亟待解决的技术难题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种具有高强度高韧性的钒合金，该合金是以V-Cr-Ti三元合金系为基础，添加Y元素和Zr元素后，结合塑性变形的加工手段合成得到的V-Cr-Ti-(Y+Zr)合金。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高强高韧的钒合金，由重量百分比为以下数值的组份组成：Cr3.2～6.0wt％，Ti3.2～6.0wt％，Y0～1.0wt％，Zr0.1～3.0wt％，余量为V。本技术方案的设计原理如下：从微结构上来讲，同时增加材料的强度和塑性是一个矛盾体，要想提高强度，希望分子间作用力越大越好，但是要想增加塑性反而不希望分子间作用力太大，这一点，对于钒合金材料亦是如此；本专利技术是要制备得到高强度和高韧性的钒合金，综合各方面考虑，选择了在现有技术中的V-Cr-Ti合金基础上，添加Y和Zr元素这一方式，使本专利技术的钒合金能够在不显著降低钒合金塑性的前提下进一步提高其韧性和强度。本技术方案添加Y和Zr元素以增强钒合金的强度和韧性的原理如下：钒合金的强度与合金中晶粒大小，第二相的种类、尺寸、数量、分布等密切相关。因此，本专利技术的钒合金以V-Cr-Ti三元合金系为基础，将Cr、Ti作为主要合金元素，通过简单的合金化手段，向其中加入Y和Zr作为添加的元素，利用Y元素和Zr元素的添加与合金中固溶C、N、O等杂质发生反应从而改变合金中沉淀相的种类、尺寸、数量和分布，降低合金中固溶C、N、O等杂质的含量，从而改善合金中杂质元素的有害作用及钒合金的高温力学性能。由于V-Cr-Ti三元合金中含有较多热稳定性差的Ti(CNO)沉淀相，导致钒合金的高温性能差，而稀土元素Y和Zr又对氧具有强烈亲和作用，因此，在合金的熔炼过程中增加Y和Zr作为添加的元素后，该Ti(CNO)沉淀相中的氧也会与Y元素和Zr元素作用而生成钇氧化物和锆氧化物，至使Ti(CNO)沉淀相显著减少，而热稳定性优异的钇氧化物和锆氧化物沉淀相数目相应的大幅增加，从而增强钒合金的高温性能。同时，生产的钇氧化物和锆氧化物在钒合金冷却凝固过程中还可起到晶粒细化剂(可使铸态晶粒的平均晶粒尺寸至少细化一半)的作用，钒合金晶粒细化后又可进一步增强钒合金的韧性和强度。本专利技术另一个目的是提供一种钒合金的制备方法，该方法生产出的钒合金具有高强度高韧性高塑性的性能，且该方法可用于大规模生产该钒合金。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种制备高强高韧钒合金的方法，包括以下步骤：1)配料：以纯钒枝晶、纯钛颗粒、纯铬颗粒、纯锆颗粒和钛钇中间合金为原料，经表面预处理后，按所述的钒合金成分的重量百分比各自备料；2)熔炼：将上述准备好的原料放入感应磁悬浮熔炼炉中进行熔化、搅拌、浇注和冷却凝固，制备成V-Cr-Ti-(Y+Zr)合金铸锭；合金的熔化、搅拌、浇注和冷却凝固均是在纯度高于99.99％的氩气保护气愤下进行的；3)均匀化处理：将合金铸锭重融4次，然后在真空度至少为1×10-3Pa的条件下均匀化退火，退火处理温度为750～850℃，时间为18～36小时；4)包套：制备封装铸锭用的不锈钢包套，并将步骤3)中退火后的合金铸锭装入该包套中，然后抽真空至2×10-2Pa，并在30min之内加热至850℃以上，再保温60min～90min；保温结束后，将包套封口焊接，得到封装后的合金；5)热变形：将封装后的合金在30min之内加热至1100～1200℃以上，然后放入模具中进行多变形处理，每次变形量不超过12％，且每次变形处理的温度都在1100～1200℃，直至变形总量达到60％后，进行空冷；6)退火：去除包套后，将合金于900～1000℃下真空退火处理40min，以消除应力；7)冷变形：在室温空气气氛条件下，将步骤7)中退火后的合金进行多次冷变形，控制每次冷加工变形量不超过8％，直至总变形量达到85％以上；8)再结晶退火：将冷变形后的合金在真空度至少为1×10-3Pa的真空条件下退火，退火处理温度为900℃，退火时间100min，退火后即得到高强高韧型钒合金材料。优选的，所述的钛钇中间合金为Ti-20Y中间合金。优选的，所述的模具为用于成形棒、板、管、线或型材的模具。本制备方法利用了现有技术中的合金化手段、塑性变形的加工手段等，在熔炼步骤中增加了搅拌工序，对熔炼的温度和退火的均匀化程度也做出调整，可有效缩短熔炼和后续变形处理所需时间，并且充分改变合金中沉淀相的种类、尺寸、数量和分布，同时降低合金中固溶的C、N、O等杂质的含量，尤其是还能减少热稳定性差的Ti(CNO)沉淀相，并得到热稳定性优异的钇氧化物和锆氧化物，可明显增加钒合金的高温性能，且该钇氧化物和锆氧化物弥散分布于基体上，可使合金晶粒尺寸细化并均匀化，从而极大提高合金强度和韧性；在封装步骤中，在达到相同效果的同时，确定了更为准确保温的时限，便于规模化生产；而在变形步骤中，热变形和冷变形均是通过减少每次变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高韧的钒合金，其特征在于，由重量百分比为以下数值的组份组成：Cr 3.2～6.0wt％，Ti 3.2～6.0wt％，Y 0～1.0wt％，Zr 0.1～3.0wt％，余量为V。

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧的钒合金，其特征在于，由重量百分比为以下数值的组份组成：Cr3.2～6.0wt％，Ti3.2～6.0wt％，Y0～1.0wt％，Zr0.1～3.0wt％，余量为V。2.一种制备权利要求1所述的钒合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配料：以纯钒枝晶、纯钛颗粒、纯铬颗粒、纯锆颗粒和钛钇中间合金为原料，经表面预处理后，按所述的钒合金成分的重量百分比各自备料；2)熔炼：将上述准备好的原料放入感应磁悬浮熔炼炉中进行熔化、搅拌、浇注和冷却，制备成V-Cr-Ti-(Y+Zr)合金铸锭；合金的熔化、搅拌、浇注和冷却均是在纯度高于99.99％的氩气保护气愤下进行的；3)均匀化处理：将合金铸锭重融4次，然后在真空度至少为1×10-3Pa的条件下均匀化退火，退火处理温度为750～850℃，时间为18～36小时；4)包套：制备封装铸锭用的不锈钢包套，并将步骤3)中退火后的合金铸锭装入该包套中，然后抽真空至2×10-2Pa，并在30min之内加热至850℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭丽霞，赖新春，蒋春丽，周萍，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51