[发明专利]一种Ti3SiC2弥散强化V-4Cr-4Ti合金

说明书

技术领域

本发明涉及合金强化和低活化结构材料领域，具体属于一种高强度和高塑性的弥散强化V-4Cr-4Ti合金的成分体系。

背景技术

钒合金由于具有低活化特性、高的高温强度、良好抗中子辐照能力以及与液态Li良好相容性而被选作为聚变堆V-Li包层的结构材料，其中V-4Cr-4Ti合金是作为聚变堆用低活化结构材料的首选，其综合性能最好而且对其进行的研究最为系统。V-4Cr-4Ti在大约700℃仍能保持较高的强度和良好的高温抗蠕变性能。但对于未来的商用聚变堆，低活化结构材料需要长期承受900℃甚至更高温度，在不显著降低钒合金塑性的前提下进一步提高钒合金的耐高温强度是一个亟待解决的技术难题。

文献1(Materials Science and Engineering A 417(2006)16-23)的研究显示V-1.7wt％Y具有良好的强度和塑性；但文献2(Journal of Materials 329-333(2004)462-466)对V-(1.7-2.4)wt％Y合金的高温强度研究显示，在800℃(1073K)时，V-Y合金的强度与V-4Cr-4Ti相当，低于这个温度时，前者显著高于后者；但反过来，高于这个温度时，前者显著低于后者。因此从V-Y合金从高温强度来看不及V-4Cr-4Ti。鉴于V-4Cr-4Ti具有优良的力学性能并已经在全球范围内得到充分深入的研究，因此有必要在V-4Cr-4Ti的基础上开展弥散强化工作。

Ti₃SiC₂是一种值得考虑的弥散添加物。Ti₃SiC₂具有优异的电、热性质及力学性能，晶体结构为层状，其a＝b＝0.3067nm，c＝1.767nm，而钒为BCC晶体结构，a＝b＝c＝0.303nm，与Ti₃SiC₂在a，b方向上相近。二者的热膨胀系数也相近，钒为10.3×10-6℃-1，Ti₃SiC₂为10～11×10-6℃-1，将Ti₃SiC₂弥散到钒合金中的话，热应力较小，二者具有良好的相容性。Ti₃SiC₂的热稳定性良好，在低于1100℃不易粗化长大，有利于钒合金的弥散强化。另外，合金中添入一定比例的Y，有助于吸收粉末原料中的杂质O、N，以形成Y₂O₃/YN弥散相更有利于合金的强化。

Ti₃SiC₂是一种陶瓷，不可直接通过熔炼的方法添加进钒合金中，需采用机械合金化的方法，控制高能球磨机的转速、球料比、磨球大小、球磨时间等参数，使Ti₃SiC₂粉末与V、Cr、Ti粉末经受反复的变形、冷焊、破碎达到元素间原子水平的合金化，从而得到纳米颗粒弥散强化相和均匀细小的显微组织。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是提供一种钒合金，以V-4Cr-4Ti为主要成分，采用弥散强化为主的强化方法，在保证钒合金良好塑性的前提下显著提高钒合金的强度。

为了解决以上问题，本发明采用的技术方案为：一种弥散强化钒合金，合金组分包括质量分数为4％的Cr、质量分数为4％的Ti、质量分数为0.05～20％的Ti₃SiC₂、质量分数为0.5～5％的Y，以及平衡量的V。

进一步的，这种弥散强化钒合金的室温抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10％。合金中晶粒尺寸0.5～1.5μm，以Ti₃SiC₂为基本组分的弥散物尺寸为50～100nm。

进一步的，这种弥散强化钒合金的组分可以是V-4Cr-4Ti-0.4Ti₃SiC₂-1.8Y，包括质量分数为89.8％的V、质量分数为4％的Cr、质量分数为4％的Ti、质量分数为0.4％的Ti₃SiC₂、质量分数为1.8％的Y。

进一步的，这种弥散强化钒合金的组分还可以是V-4Cr-4Ti-1.2Ti₃SiC₂-1.8Y，包括质量分数为89％的V、质量分数为4％的Cr、质量分数为4％的Ti、质量分数为1.2％的Ti₃SiC₂、质量分数为1.8％的Y。