一種高硬度抗腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti合金的製作方法
2023-09-09 20:07:05 4
一種高硬度抗腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti合金的製作方法
【專利摘要】一種高硬度抗腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti合金，屬於不鏽鋼【技術領域】。其特徵在於：它包括Fe、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Al、V元素，其合金成分的質量百分比為(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：餘量。材料性能指標為：σ0.2≧1000MPa,σb≧1200MPa,δ5≧12％,ψ≧42％，Eb≧1.3V。本發明的效果和益處是開發出了一種新型成本低廉的超高強度鐵素體時效不鏽鋼，屈服強度高達1000MPa以上，可作為高強度的結構材料使用，並可進行冷熱加工，在海水高氯環境中具有良好的抗腐蝕性能。
【專利說明】一種高硬度抗腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti合金
【技術領域】
[0001]本發明屬於新材料【技術領域】，涉及一種具有高硬度、耐腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti固溶體合金材料，有望用於核工業領域抗輻照環境中。
【背景技術】
[0002]釩(V)是典型的低中子激活活化金屬，純度較高的釩具有很好的塑性，但強度較低；v在高溫下易於氧化，從而影響合金的強度和塑性，且在氫環境中易於吸氫而變脆。研宄表明，通過添加適量合金化元素，可提高V合金的強度(固溶強化)，改變合金的氫脆特性及改善合金抗高溫氧化的能力。例如，以V-4Cr-4Ti合金為代表的I凡合金具有抗福照腫脹、高溫耐熱性以及良好的可加工性能等優點，是優良的聚變核反應堆第一壁結構材料。作為低活化結構材料，為進一步改善V合金高溫下的力學性能，需進一步添加微量Al、S1、Y或W等滿足低活化要求的元素。由此可見，合金的性能與合金的成分密切相關，故通過調整成分並使得成分達到最優化，是提高V合金性能的一個簡單且有效的方法。
[0003]V合金的耐腐蝕性和強度直接影響到材料的服役壽命和使用安全，是評價釩合金性能的兩個重要技術指標。由於釩合金的性能與合金成分密切相關，可以通過添加適量的合金化元素對現有釩合金進行成分優化，增加合金的耐腐蝕性，同時提高合金的強度。需要指出，首先，添加的合金化元素必須滿足低活化要求，故添加的合金化元素有限；其次，合金化元素的添加含量、添加種類、以及各合金化元素之間的成分配比都會直接影響V合金的各方面性能。元素Ta滿足核工業材料在使用中的低活化要求，且與釩合金基體元素V是同族，它們的基本化學性質相似，因此應該能夠添加到用於核工業領域的釩合金中，但添加Ta元素的釩合金還未見報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有釩合金合金化組元單一的不足，提供一種具有高硬度，耐腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti固溶體合金材料。
[0005]本發明採用的技術方案是:一種高硬度抗腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti合金，其特徵在於:它包括V、Ta、Cr和Ti元素，其合金成分的重量百分比(wt.% )為V_(3.5-13.5% )Ta-(3.7-4.2% )Cr-(3.4-3.9% )T1
[0006]實現上述技術方案的構思是:利用我們的「團簇加連接原子」結構模型來設計V-Ta-Cr-Ti合金成分。「團簇加連接原子」結構模型可將固溶體結構看作由團簇和連接原子兩部分構成，並能給出成分式[團簇](連接原子)x。在BCC結構的釩合金中，團簇式中的團簇殼層被14個V原子所佔據，其成分式可表達為[M-VJM，其團簇中心原子和連接原子位置等效，均用M表示，M= (V，Ta，Cr，Ti)。根據此成分式設計合金成分，然後轉化成重量百分比。設計的原則是保證各合金化元素添加含量的最優配比，以確保合金在單一 BCC結構基礎上體現出高硬度和良好的耐腐蝕性能。
[0007]本發明的成分合金採用高純度組元元素按重量百分比合金成分進行配比；然後利用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護下對配比的混合物進行多次熔煉，以得到成分均勻的合金錠，然後利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠製備成直徑為3mm的合金棒，將合金棒在溫度為1273K，真空度為6X10_3Pa條件下保溫2h固溶處理後水淬，用作維氏硬度實驗和電化學腐蝕測試樣品；利用XRD (Cu Ka輻射，λ = 0.15406nm)檢測合金結構；利用TEM檢測合金微結構；利用顯微維氏硬度計測試合金的硬度；利用電化學測試系統測量合金的動電位掃描陽極極化曲線。由此確定出本發明中具有高硬度、耐腐蝕的BCC結構V-Ta-Cr-Ti固溶體合金成分，為 V-(3.5-13.5% )Ta-(3.7-4.2% )Cr-(3.4-3.9% )Ti (重量百分比)，其性能參數範圍分別為:硬度HV = 162-200kgf.mm 2，自腐蝕電流密度Icorr= 2.47-2.71 μ A/cm2,腐蝕速率 CR = 0.014-0.016mm/a。
[0008]與現有技術相比，本發明的優點在於:本發明是根據一種合金設計方法來設計並發展出了具有高硬度和良好耐蝕性能的單一 BCC V-Ta-Cr-Ti固溶體合金，添加的合金化元素含量配比為最優，屏蔽了目前「炒菜式」的經驗繁瑣的成分方法，具有材料設計的先導性；由此獲得的單一 BCC V-Ta-Cr-Ti固溶體合金具有高硬度和高耐蝕性能，其性能指標為:硬度 HV = 162-200kgf.mnT2，自腐蝕電流密度 icorr= 2.47-2.71 μΑ/cm2，腐蝕速率 CR=0.014-0.016mm/a。
[0009]本發明的效果和益處是:①在保證釩合金具有單相BCC結構基礎上，獲得的BCCV-Ta-Cr-Ti合金同時具有高硬度和高耐腐蝕性?』②BCC V-Ta-Cr-Ti合金的組元元素添加含量合理，在保證合金性能優異的同時，為一種低成本合金材料V-Ta-Cr-Ti合金組元都為低活化元素，可用於核工業材料領域。
【具體實施方式】
[0010]以下結合技術方案詳細敘述本發明的【具體實施方式】。
[0011 ]實施例1V85 3Ta7.0Cr4.Ji3.7 (wt.% )合金
[0012]步驟一:合金製備
[0013]V85 3Ta7.0Cr4 0Ti3.7(wt.% )合金，此成分源自團簇式 M = Ti1/3V1/6Ta1/6Cr1/3o V、Cr、Ti和Ta純金屬按照給定的合金重量百分比成分進行配料；將混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩禍內，採用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉，如此反覆熔煉4次，得到成分均勻的合金錠；然後將熔煉均勻的合金錠最後熔化，並利用銅模吸鑄工藝將熔體吸入圓柱形銅模型腔中，得到直徑為3mm的棒材，將合金棒在溫度為1273K，真空度為6 X 10_3Pa條件下保溫2h固溶處理後水淬。
[0014]步驟二:合金結構和性能測試
[0015]利用XRD和TEM檢測合金結構，確定為單一 BCC V固溶體結構；利用維氏硬度計和電化學測量系統測試其性能參數，分別為:硬度HV = 176kgf.πιπΓ2，自腐蝕電流密度iM? =2.47 μΑ/cm2，腐蝕速率 CR = 0.014mm/a。
[0016]實施例2V79.3Ta13.4Cr3.8Ti3.5 (wt.% )合金
[0017]步驟一:合金製備
[0018]V79.3Ta13.4Cr3.8Ti3.5(wt.% )合金，此成分源自團簇式 M = Ti1/3Ta1/3Cr1/3o 同實施例一中的步驟一。
[0019]步驟二:合金結構和性能測試
[0020]利用XRD和TEM檢測合金結構，確定為單一 BCC V固溶體結構；利用維氏硬度計和電化學測量系統測試其性能參數，分別為:硬度HV = 200kgf.πιπΓ2，自腐蝕電流密度iM? =2.67 μ A/cm2,腐蝕速率 CR = 0.016mm/a。
[0021 ]實施例 3V88.5Ta3.6Cr4.Ji3.8 (wt.% )合金
[0022]步驟一:合金製備
[0023]V88 5Ta3.6Cr4 1Ti3.8(wt.% )合金，此成分源自團簇式 M = Ti1/3V1/4Ta1/12Cr1/3o 同實施例一中的步驟一。
[0024]步驟二:合金結構和性能測試
[0025]利用XRD和TEM檢測合金結構，確定為單一 BCC V固溶體結構；利用維氏硬度計和電化學測量系統測試其性能參數，分別為:硬度HV = 162kgf.πιπΓ2，自腐蝕電流密度iM? =2.71 μΑ/cm2，腐蝕速率 CR = 0.015mm/a。
【權利要求】
1.一種高硬度抗腐蝕的8(1:結構合金，其特徵在於:包括V、％、0和！'1元素，其合金成分的重量百分比(被.% ) ^7-(3.5-13.5% )1^-(3.7-4.2 % )01-(3.4-3.9% )110
【文檔編號】C22C27/02GK104498799SQ201410821392
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】王清, 董闖, 王英敏, 羌建兵 申請人:大連理工大學