CN103009008A - V-Cr-Ti合金超半球壳制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种V-Cr-Ti合金超半球壳制造工艺，其主要成分包含（重量％）铬：4-5％、钛：4-5％，其余为钒和不可避免的杂质。其制造方法是将上述成分的粉末冶金预制球壳毛坯在1000℃～1200℃温度下进行热等静压，在900～1200℃温度下进行0.5～1小时加热，然后采用0.75吨-2吨自由锻锤进行超半球壳的模锻成型，再于800～1100℃温度下进行0.5～5小时热处理，以50～100℃/小时的冷却速度进行冷却，在600～700℃的温度下进行退火。采用本工艺制备的超半球壳在中子辐照条件下具有低的激活特性和保持优良的高温强度，此外，还具有良好的抗辐射诱变膨胀和抗辐射损伤能力、良好的尺寸稳定性、高导热性、较低的弹性模量、低的生物危害性、较好的抗蠕变性能、良好的加工性能等。
Description
技术领域
本发明涉及到合金制造方法，具体指一种钒合金超半球制造工艺。
背景技术
钒合金是优良的聚变反应堆用结构材料，和其他金属结构材料相比，钒合金最显著的优点是其在中子辐照条件下的低激活特性和优良的高温强度性能。钒基合金的特性决定了其在一些特定的环境中具有较好的应用前景，目前钒基合金主要应用在航空、国防、核聚变和高温环境等领域。
早在20世纪60年代，国外就开始了对钒合金的研究工作，直到20世纪90年代，随着对聚变反应堆用材料的深入研究和为满足科学研究及一些领域的特殊要求，美国、俄罗斯、欧盟和日本对钒基合金进行了大量系统的研究工作。长期以来我国对钒的研究和应用主要集中在钢铁工业，对钒基合金的研究只是最近几年才开始。随着科技发展对材料性能要求的提高，各国材料科研工作者对钒合金越来越重视，现在普遍认为V-(4-5)Cr-(4-5)Ti合金是最重要的候选材料。
随着人类对能源需求的不断增加,以及煤、石油、天然气等能源储量的日益减少，核能将发挥更显著的作用。核反应堆的建造是解决世界能源问题的重要举措之一。V-Cr-Ti合金是重要的聚变核反应堆候选结构材料，具有优良的低活化特性、高温强度、耐液态金属腐蚀、抗中子辐照肿胀等性能。因此，该合金在聚变核反应堆的第一壁、包层和偏滤器等结构的设计中备受关注。
目前，国内多家单位正在研制用于聚变核反应堆包层结构材料的V-5Cr-5Ti合金，一般是采用电子束熔炼的工艺，先制成铸锭再加工成球壳，这样制备的球壳既达不到要求的性能指标又浪费了材料。更有些单位直接购买棒料加工制备V-5Cr-5Ti球壳，此种方法材料浪费严重，材料的性能无法保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种具有良好的抗辐射诱变膨胀和损伤、良好的尺寸稳定性、高热传导性、较低的热膨胀系数、较低的弹性模量、较好的抗蠕变性能、良好的加工性能、与液体锂具有良好的相容性、同时又具有优异的低生物危害的安全性和环保特性的V-Cr-Ti合金超半球壳制造工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该一种V-Cr-Ti合金超半球壳制造工艺，其特征在于包括下述步骤：
将过200目筛的铬粉、钛粉和钒粉在球磨机中混合均匀，将混合后的合金粉末放入模具中压制成球壳毛坯，然后该球壳毛坯在1000～1200℃温度下热等静压成型后，再在900～1200℃温度下模锻成型，再于800～1100℃温度下进行0.5～5小时热处理，然后以50～100℃/小时的冷却速度进行冷却，最后在600～700℃的温度下退火，即得到V-Cr-Ti合金超半球壳；
所述的V-Cr-Ti合金超半球壳含有4-5wt％铬、4-5wt％的钛和余量的钒，并且不可避免杂质的含量小于等于0.1wt％。
较好的，所述模锻成型中使用的润滑剂为80%油基石墨和20%硬脂酸锌。
上述各方案中，所述模具包括底模和能容置在底模内的冲头；所述冲头和所述底模均采用硬度HRC为50-55的H13模具钢材料制备。
现有的制备方法中，V-Cr-Ti合金在高温下，合金中的C、N和O间隙杂质原子与Ti相互作用强烈，形成Ti-CON型沉淀相，影响合金的性能；而经固溶处理的V-4Cr-4Ti合金，在600～700℃退火时形成高度弥散分布的细小沉淀相，强化合金的同时，会降低合金的塑性。
而本发明采用热模锻工艺制备V-5Cr-5Ti球壳，热处理后测试性能，Rm=500Mpa，ReL=380Mpa，A=28%。达到产品要求的使用性能，且该制备方法具有市场推广价值，推广后将会产生巨大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例所使用的钒合金球壳模锻成型模具。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
其生产工艺流程方法如下：
配料－混料－热等静压—加热-模锻－固溶处理－退火－成品。
具体过程为：按表1所示成分配料，在球磨机中充分混合，使各元素颗粒均匀分布。如图1所示，将混合好的粉末加入到底模2的型腔中，与冲头1配合压制成预制球壳毛坯3，将该预制球壳毛坯在1200℃温度下进行热等静压，然后再在1100℃温度下进行模锻成型，再于1000℃温度下进行5小时热处理后，以100℃/小时的冷却速度进行冷却，最后在650℃的温度下进行退火，制成球壳成品。
对该球壳的性能进行检测，检测结果如表2所示。
实施例2
其生产工艺流程方法如下：
配料－混料－热等静压—加热—模锻－固溶处理－退火－成品。
具体过程为：按表1所示成分配料，在球磨机中充分混合，使各元素颗粒均匀分布。如图1所示，将混合好的粉末加入到底模2的型腔中，与冲头1配合压制成预制球壳毛坯3，混料后压制成预制球壳，将上述成分的粉末冶金预制球壳毛坯在1100℃温度下进行热等静压，在1100℃温度下进行模锻成型，再于900℃温度下进行5小时热处理，以80℃/小时的冷却速度进行冷却，在680℃的温度下进行退火，制成成品。
实施例3
其生产工艺流程方法如下：
配料－混料－热等静压—加热—模锻－固溶处理－退火－成品。
具体过程为：按表1所示成分配料，在球磨机中充分混合，使各元素颗粒均匀分布。如图1所示，将混合好的粉末加入到底模2的型腔中，与冲头1配合压制成预制球壳毛坯3，混料后压制成预制球壳，将上述成分的粉末冶金预制球壳毛坯在1200℃温度下进行热等静压，在1100℃温度下进行模锻成型，再于850℃温度下进行5小时热处理，以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在700℃的温度下进行退火，制成成品。
实施例4
其生产工艺流程方法如下：
配料－混料－热等静压—加热—模锻－固溶处理－退火－成品。
具体过程为：按表1所示成分配料，在球磨机中充分混合，使各元素颗粒均匀分布。如图1所示，将混合好的粉末加入到底模2的型腔中，与冲头1配合压制成预制球壳毛坯3，混料后压制成预制球壳，将上述成分的粉末冶金预制球壳毛坯在1200℃温度下进行热等静压，在1100℃温度下进行模锻成型，再于950℃温度下进行5小时热处理，以50℃/小时的冷却速度进行冷却，在700℃的温度下进行退火，制成成品。
表1各实施例中V-Cr-Ti合金的成分组成（wt%）
| 实施例 | Cr | Ti | V |
| 实施例1 | 4.0 | 4.0 | 余量 |
| 实施例2 | 4.2 | 4.2 | 余量 |
| 实施例3 | 4.5 | 4.5 | 余量 |
| 实施例4 | 5 | 5 | 余量 |
实施例1至4的钒合金退火后的平均力学性能如表2所示。
表2V-Cr-Ti合金的力学性能
| 实施例 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/% |
| 实施例1 | 450 | 350 | 35 |
| 实施例2 | 460 | 360 | 32 |
| 实施例3 | 480 | 370 | 30 |
| 实施例4 | 500 | 380 | 28 |
| 对比例 | 450 | 350 | 25 |
对比例为美国Argonne National Laboratory采用电子束熔铸制备的V-5Cr-5Ti合金。
由表2可以得知，本发明各实施例所制备的V-Cr-Ti合金超半球壳具有良好的抗辐射诱变膨胀和抗辐射损伤、良好的尺寸稳定性、高热传导性、较低的热膨胀系数、较低的弹性模量、较好的抗蠕变性能、良好的加工性能，同时又具有优异的低生物危害的安全性和环保特性。
Claims (3)
1.一种V-Cr-Ti合金超半球壳制造工艺，其特征在于包括下述步骤：
将过200目筛的铬粉、钛粉和钒粉在球磨机中混合均匀，将混合后的合金粉末放入模具中压制成球壳毛坯，然后该球壳毛坯在1000～1200℃温度下热等静压成型后，再在900～1200℃温度下模锻成型，再于800～1100℃温度下进行0.5～5小时热处理，然后以50～100℃/小时的冷却速度进行冷却，最后在600～700℃的温度下退火，即得到V-Cr-Ti合金超半球壳；
所述的V-Cr-Ti合金超半球壳含有4-5wt％铬、4-5wt％的钛和余量的钒，并且不可避免杂质的含量小于等于0.1wt％。
2.根据权利要求1所述的钒合金超半球壳制造工艺，其特征在所述模锻成型中使用的润滑剂为80%油基石墨和20%硬脂酸锌。
3.根据权利要求1或2所述的钒合金超半球壳制造工艺，其特征在于所述模具包括底模和能容置在底模内的冲头；所述冲头和所述底模均采用硬度HRC为50-55的H13模具钢材料制备。
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