CN104498799B - 一种高硬度抗腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti合金 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度抗腐蚀的BCC结构V‑Ta‑Cr‑Ti合金，属于不锈钢技术领域。其特征在于：它包括Fe、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Al、V元素，其合金成分的质量百分比为(wt.％)，Cr：25.5‑27.5，Ni：5.0‑7.0，Mo：4.0‑5.8，Cu：0.5‑1.8，Ti:0.3‑1.0，Nb:0.3‑0.7，Al：0‑0.3，V：0‑0.3，Fe：余量。材料性能指标为：σ0.2≧1000MPa,σb≧1200MPa,δ5≧12％,ψ≧42％，Eb≧1.3V。本发明的效果和益处是开发出了一种新型成本低廉的超高强度铁素体时效不锈钢，屈服强度高达1000MPa以上，可作为高强度的结构材料使用，并可进行冷热加工，在海水高氯环境中具有良好的抗腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有高硬度、耐腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti固溶体合金材料，有望用于核工业领域抗辐照环境中。
背景技术
钒(V)是典型的低中子激活活化金属，纯度较高的钒具有很好的塑性，但强度较低；V在高温下易于氧化，从而影响合金的强度和塑性，且在氢环境中易于吸氢而变脆。研究表明，通过添加适量合金化元素，可提高V合金的强度(固溶强化)，改变合金的氢脆特性及改善合金抗高温氧化的能力。例如，以V-4Cr-4Ti合金为代表的钒合金具有抗辐照肿胀、高温耐热性以及良好的可加工性能等优点，是优良的聚变核反应堆第一壁结构材料。作为低活化结构材料，为进一步改善V合金高温下的力学性能，需进一步添加微量Al、Si、Y或W等满足低活化要求的元素。由此可见，合金的性能与合金的成分密切相关，故通过调整成分并使得成分达到最优化，是提高V合金性能的一个简单且有效的方法。
V合金的耐腐蚀性和强度直接影响到材料的服役寿命和使用安全，是评价钒合金性能的两个重要技术指标。由于钒合金的性能与合金成分密切相关，可以通过添加适量的合金化元素对现有钒合金进行成分优化，增加合金的耐腐蚀性，同时提高合金的强度。需要指出，首先，添加的合金化元素必须满足低活化要求，故添加的合金化元素有限；其次，合金化元素的添加含量、添加种类、以及各合金化元素之间的成分配比都会直接影响V合金的各方面性能。元素Ta满足核工业材料在使用中的低活化要求，且与钒合金基体元素V是同族，它们的基本化学性质相似，因此应该能够添加到用于核工业领域的钒合金中，但添加Ta元素的钒合金还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有钒合金合金化组元单一的不足，提供一种具有高硬度，耐腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti固溶体合金材料。
本发明采用的技术方案是：一种高硬度抗腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti合金，其特征在于：它包括V、Ta、Cr和Ti元素，其合金成分的重量百分比(wt.％)为V-(3.5-13.5％)Ta-(3.7-4.2％)Cr-(3.4-3.9％)Ti。
实现上述技术方案的构思是：利用我们的“团簇加连接原子”结构模型来设计V-Ta-Cr-Ti合金成分。“团簇加连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)x。在BCC结构的钒合金中，团簇式中的团簇壳层被14个V原子所占据，其成分式可表达为[M-V14]M，其团簇中心原子和连接原子位置等效，均用M表示，M＝(V,Ta,Cr,Ti)。根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是保证各合金化元素添加含量的最优配比，以确保合金在单一BCC结构基础上体现出高硬度和良好的耐腐蚀性能。
本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为3mm的合金棒，将合金棒在温度为1273K，真空度为6×10-3Pa条件下保温2h固溶处理后水淬，用作维氏硬度实验和电化学腐蚀测试样品；利用XRD(Cu Kα辐射，λ＝0.15406nm)检测合金结构；利用TEM检测合金微结构；利用显微维氏硬度计测试合金的硬度；利用电化学测试系统测量合金的动电位扫描阳极极化曲线。由此确定出本发明中具有高硬度、耐腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti固溶体合金成分，为V-(3.5-13.5％)Ta-(3.7-4.2％)Cr-(3.4-3.9％)Ti(重量百分比)，其性能参数范围分别为：硬度HV＝162-200kgf·mm-2，自腐蚀电流密度icorr＝2.47-2.71μA/cm2，腐蚀速率CR＝0.014-0.016mm/a。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明是根据一种合金设计方法来设计并发展出了具有高硬度和良好耐蚀性能的单一BCC V-Ta-Cr-Ti固溶体合金，添加的合金化元素含量配比为最优，屏蔽了目前“炒菜式”的经验繁琐的成分方法，具有材料设计的先导性；由此获得的单一BCC V-Ta-Cr-Ti固溶体合金具有高硬度和高耐蚀性能，其性能指标为：硬度HV＝162-200kgf·mm-2，自腐蚀电流密度icorr＝2.47-2.71μA/cm2，腐蚀速率CR＝0.014-0.016mm/a。
本发明的效果和益处是：①在保证钒合金具有单相BCC结构基础上，获得的BCC V-Ta-Cr-Ti合金同时具有高硬度和高耐腐蚀性；②BCC V-Ta-Cr-Ti合金的组元元素添加含量合理，在保证合金性能优异的同时，为一种低成本合金材料；③V-Ta-Cr-Ti合金组元都为低活化元素，可用于核工业材料领域。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1V85.3Ta7.0Cr4.0Ti3.7(wt.％)合金
步骤一：合金制备
V85.3Ta7.0Cr4.0Ti3.7(wt.％)合金，此成分源自团簇式M＝Ti1/3V1/6Ta1/6Cr1/3。V、Cr、Ti和Ta纯金属按照给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼4次，得到成分均匀的合金锭；然后将熔炼均匀的合金锭最后熔化，并利用铜模吸铸工艺将熔体吸入圆柱形铜模型腔中，得到直径为3mm的棒材，将合金棒在温度为1273K，真空度为6×10-3Pa条件下保温2h固溶处理后水淬。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD和TEM检测合金结构，确定为单一BCC V固溶体结构；利用维氏硬度计和电化学测量系统测试其性能参数，分别为：硬度HV＝176kgf·mm-2，自腐蚀电流密度icorr＝2.47μA/cm2，腐蚀速率CR＝0.014mm/a。
实施例2V79.3Ta13.4Cr3.8Ti3.5(wt.％)合金
步骤一：合金制备
V79.3Ta13.4Cr3.8Ti3.5(wt.％)合金，此成分源自团簇式M＝Ti1/3Ta1/3Cr1/3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD和TEM检测合金结构，确定为单一BCC V固溶体结构；利用维氏硬度计和电化学测量系统测试其性能参数，分别为：硬度HV＝200kgf·mm-2，自腐蚀电流密度icorr＝2.67μA/cm2，腐蚀速率CR＝0.016mm/a。
实施例3V88.5Ta3.6Cr4.1Ti3.8(wt.％)合金
步骤一：合金制备
V88.5Ta3.6Cr4.1Ti3.8(wt.％)合金，此成分源自团簇式M＝Ti1/3V1/4Ta1/12Cr1/3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD和TEM检测合金结构，确定为单一BCC V固溶体结构；利用维氏硬度计和电化学测量系统测试其性能参数，分别为：硬度HV＝162kgf·mm-2，自腐蚀电流密度icorr＝2.71μA/cm2，腐蚀速率CR＝0.015mm/a。
Claims (1)
1.一种高硬度抗腐蚀的BCC结构V-Ta-Cr-Ti合金，其特征在于：包括V、Ta、Cr和Ti元素，其合金成分的重量百分比(wt.％)为V-(3.5-13.5％)Ta-(3.7-4.2％)Cr-(3.4-3.9％)Ti。
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