一种高均质耐蚀钛钽中间合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高均质耐蚀钛钽中间合金，由以下质量百分数的成分组成：Ta 10%~70%，O 0.04%~0.15%，余量为Ti及不可避免的杂质；该钛钽中间合金的制备方法包括：一、将Ti粉和Ta粉混粉后冷压成型；二、粉末冶金烧结；三、真空熔炼；四、机械加工。本发明专利技术通过限定Ti和Ta的元素质量百分数以形成BCC型钛钽固溶体，避免了高密度不熔块以及偏析等冶金缺陷；本发明专利技术采用均匀混粉、冷压成型预烧结以及真空熔炼三联动工艺，精确控制了钛钽中间合金中化学成分，避免了因锭型放大引入的高熔点Ta不熔块和铸锭横纵向成分偏析等冶金缺陷，灵活实现多种锭型Ti35钛合金铸锭的生产，且工艺简单、生产周期短，适宜生产。适宜生产。适宜生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高均质耐蚀钛钽中间合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，具体涉及一种高均质耐蚀钛钽中间合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着我国核电事业的快速发展，待处理的乏燃料总量迅速增加。有效利用压水堆乏燃料的钚及次锕系元素（如镎、镅及锔）等有用核素达到再循环，并减少最终高放射性废物产生，是关系到我国核能能否可持续发展的问题。而乏燃料后处理关键设备用材的可靠性又直接影响到我国乏燃料的安全处理。Ti35钛合金是一种Ti
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Ta系二元合金且Ta的质量分数为6%，由于在乏燃料模拟料液中具有优异的耐硝酸腐蚀性能，成为我国首座200吨乏燃料后处理关键设备的候选材料。由于Ta是高熔点（2996℃）且高密度（16.6g/cm3）的金属元素，而Ti是低熔点（1668℃）且低密度（4.50g/cm3）的金属元素，直接使用单质金属材料进行熔炼极易在铸锭中引入高熔点Ta不熔块和元素偏析等冶金缺陷，影响钛合金铸锭的质量。目前Ti35钛合金铸锭主要采用真空自耗电弧熔炼（VAR）工艺进行生产，由于该方法所需要的原材料和自耗电极块质量较高。为了保证元素均质性，通常将一定比例的Ti粉和Ta粉混合后与海绵钛小颗粒压成电极块进行熔炼，该工艺在生产φ640mm小锭型以内的Ti35合金铸锭时基本可以满足均质性要求。然而，当生产φ720mm甚至更大锭型的Ti35合金铸锭时，由于单个电极块的质量更大导致Ta粉存在极大的概率发生团聚，因此在最终VAR熔炼中容易发生高熔点夹杂和元素偏析等冶金缺陷。
[0003]在实际乏燃料后处理关键设备生产时希望用到Ti35合金宽幅板，以尽可能减少因对焊引入较多的焊缝，焊缝越多设备在后处理沸腾硝酸工况中越容易发生腐蚀。为此，开发全新的高均质钛钽中间合金材料有助于改善合金化条件、提高合金成分均匀性、克服偏析和不熔块夹杂、减少金属元素烧损率，并且有助于获得更大锭型的合金铸锭产品。因此，为保证我国乏燃料后处理关键设备用材的安全运行，并突破法国对我国800吨大型后处理厂技术的封锁，迫切需要制备出大锭型且高均质的钛钽中间合金铸锭，并掌握其制备关键工艺以确保合金材料均质稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高均质耐蚀钛钽中间合金。该钛钽中间合金通过限定Ti基体元素与Ta合金化元素的质量变分数以形成BCC型钛钽固溶体，使得钛钽中间合金的熔点、比热、比重以及熔化潜热与基体原料海绵钛相近，并且兼顾了优异的耐腐蚀性能以及可加工性能，有效解决了Ti35钛合金在真空自耗熔炼过程中易出现的高密度不熔块以及偏析等冶金缺陷。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种高均质耐蚀钛钽中间合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Ta 10%~70%，O 0.04%~0.15%，余量为Ti及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质中Fe的质量百分数不超过0.05%，C的质量百分数不超过
0.08%，H的质量百分数不超过0.01%，N的质量百分数不超过0.03%；所述钛钽中间合金的洛氏硬度为16HRC~30HRC，在浓度为4mol/L~12mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率小于0.1mm/a。
[0006]本专利技术以Ti为基体，以耐蚀Ta为主要合金化元素制备核乏燃料后处理关键设备用压力容器部件用的钛钽中间合金材料，在合金各元素限定的质量百分数范围内有效形成BCC型钛钽固溶体，从而钛钽中间合金材料的熔点显著降低，与基体金属原料海绵钛的熔点相差300℃以内，且比热、比重以及熔化潜热与基体金属原料海绵钛相近，适应了中间合金中难熔金属组元的配料要求，有效解决其应用于Ti35钛合金后在真空自耗熔炼过程中易出现的高密度不熔块以及偏析等冶金缺陷。同时，本专利技术的钛钽中间合金硬度适中，具有较好的加工性能，便于后期车屑或者破碎为小颗粒，能够很好地与基体原料金属海绵钛结合制备出优异的电极块。此外，本专利技术通过控制钛钽中间合金中的杂质元素，确保钛钽中间合金具有优异的耐腐蚀和可加工性能，降低了钛钽中间合金生产成本并提高其成品率。
[0007]另外，本专利技术还提供了一种制备如上述的高均质耐蚀钛钽中间合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉和Ta粉均匀混粉，然后进行冷压成型，得到钛钽中间合金坯料；步骤二、将步骤一得到的钛钽中间合金坯料置于钼舟内，然后在真空烧结炉中进行粉末冶金烧结，得到钛钽中间合金预烧结坯料；步骤三、将步骤二得到的钛钽中间合金预烧结坯料进行真空熔炼，制备得到钛钽中间合金铸锭；步骤四、将步骤三中得到的钛钽中间合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮、车屑或破碎、磁选的机械加工，得到厚度小于2mm的屑状高均质耐蚀钛钽中间合金或者粒径为1mm~5mm的颗粒状高均质耐蚀钛钽中间合金。
[0008]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉为符合YS/T 654
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2018《钛粉》的工业级钛粉，所述钽粉为符合YS/T 573
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2015《钽粉》的工业级钽粉。本专利技术通过严格控制原材料钛粉和钽粉的质量，有效减少了钛钽中间合金的杂质含量，确保了其耐蚀性能和可加工性能。
[0009]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述均匀混粉的时间为3h~8h，所述冷压成型的冷压压力为80MPa~260MPa，保压时间为3min~10min。本专利技术通过将高熔点、高密度的钽元素粉体与低熔点、低密度的钛元素粉体按比例充分均匀混合后，通过冷压并控制冷压工艺参数将混匀粉体压制成合金坯料，有效防止高密度组元再次发生团聚。
[0010]上述的方法，其特征在于，步骤二中将钛钽中间合金坯料置于钼舟内，采用钛箔或钽箔进行包覆，然后进行粉末冶金烧结，粉末冶金烧结的过程中系统真空度低于1.0
×
10
‑2Pa，烧结温度为1000℃~1800℃，烧结时间为1h~6h。本专利技术采用钛箔或钽箔包覆钛钽中间合金坯料，并严格控制粉末冶金烧结的系统真空度，有效控制了钛钽中间合金预烧结坯料中碳、氢、氧、氮等杂质元素的含量；同时通过合理控制烧结温度，使得烧结后钛钽中间合金形成BCC型单相固溶体，加快了在液相下钛钽元素之间的短程相互扩散，有效降低钛钽中间合金熔点的同时又保证了钛、钽元素的均质性分布。
[0011]上述的方法，其特征在于，步骤三中所述真空熔炼为真空感应熔炼、真空悬浮熔炼以及电子束熔炼中的一种或者多种。本专利技术通过将钛钽中间合金预烧结坯料进行真空熔
炼，进一步保证了钛钽中间合金中不存在高密度夹杂和高熔点Ta不熔块等冶金缺陷；同时，经烧结后得到的钛钽中间合金预烧结坯料的熔点有所降低，然而液相下的固固短程扩散有限，因此本专利技术采用真空感应熔炼、真空悬浮熔炼以及电子束熔炼中的一种或者多种进行真空熔炼，在高温以及电磁搅拌等耦合条件下，加快了单相固溶体液相钛、钽元素之间的扩散行为，有效保证了钛钽中间合金的成分均质性。
[0012]本专利技术采用腐蚀速率来评价钛钽中间合金在乏燃料后处理4mol/L~12mol/L的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高均质耐蚀钛钽中间合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Ta 10%~70%，O 0.04%~0.15%，余量为Ti及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质中Fe的质量百分数不超过0.05%，C的质量百分数不超过0.08%，H的质量百分数不超过0.01%，N的质量百分数不超过0.03%；所述钛钽中间合金的洛氏硬度为16HRC~30HRC，在浓度为4mol/L~12mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率小于0.1mm/a。2.一种制备如权利要求1中所述的高均质耐蚀钛钽中间合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉和Ta粉均匀混粉，然后进行冷压成型，得到钛钽中间合金坯料；步骤二、将步骤一得到的钛钽中间合金坯料置于钼舟内，然后在真空烧结炉中进行粉末冶金烧结，得到钛钽中间合金预烧结坯料；步骤三、将步骤二得到的钛钽中间合金预烧结坯料进行真空熔炼，制备得到钛钽中间合金铸锭；步骤四、将步骤三中得到的钛钽中间合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮、车屑或破碎、磁选的机械加工，得到厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张于胜，吴金平，李欢，王琳，王军杰，魏振帮，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：