一种新型抗氦离子溅射的钒合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及聚变堆候选结构材料钒合金的制备技术领域，具体涉及的是一种新型抗氦离子溅射的钒合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]钒合金相对于其它结构材料而言，具有优良的低活化特性和高温强度以及韧脆转变温度低等优点，该合金在聚变反应堆的第一壁、包层和偏滤器等结构的设计中备受关注，且最有希望应用于Li/V包层中。经过系统深入的研究，并根据多项性能考核结果，美国、日本等国首推V-4Cr_4Ti为聚变堆结构材料的候选材料，在聚变堆中，氘氚等离子体以及从等离子区逃逸的α粒子均会对V-4Cr_4Ti合金产生氦离子辐照和溅射，从而导致其表面鼓泡、起皮等，因此V-4Cr-4Ti合金抗氦离子派射的能力有待改善。
[0003]为了提高V-4Cr_4Ti合金抗氦离子溅射的能力，有效减少氦离子在合金表面溅射所引起的鼓泡和掉皮现象，可以通过减少V-4Cr-4Ti合金中固溶氧的含量，从而减少氧脆现象。而在V-4Cr-4Ti合金中掺杂稀土元素则可以有效降低合金中固溶氧的含量及合金的晶粒尺寸，合金中的固溶氧含量及晶粒尺寸的减少均有利于合金韧性的提高，从而可望改善该合金抗氦离子溅射的能力。因此，在V-4Cr-4Ti合金熔炼的过程中添加适量的稀土元素，可以制备出较好抑制氦离子溅射的钒合金。
[0004]目前，聚变堆结构材料V-4Cr_4Ti合金的制备技术已有大量研究成果，例如:
[0005](I)ff.R.Johnsonand,J.P.Smith.Fabricat1n of a 1200kg ingot of V-4Cr-4Ti alloy for the D ΙΠ-D rad1active divertor program,J.Nucl.Mater.,258-263(1998):1425;
[0006](2)T.Nagasaka,N.J.Heo,T.Muroga,et al.Examinat1n of fabricat1nprocess parameters for improvement of low-activat1n vanadium alloys,Fus1nEng.Des.,61-62(2002)757-762；
[0007](3)A.N.Tyumentsev,A.D.Korotaev,Yu.P.Pinzhin,et al.Effect of the modesof thermomechanical treatment on the format1n of the multiphase and grainstructure of V-4T1-4Cr alloys,J.Nuc1.Mater.,329-333(2004)429-433；
[0008](4)李鱼飞.V-4Cr_4Ti合金的制备及组织结构研究[硕士论文].中国工程物理研究院研究生部；
[0009](5)中国专利申请公开号:CN105154737A公开了一种钒铬钛合金板的制备工艺，该合金板的组成为V:88?94%，Cr:2.9?6%，T1:2.6?6%，余量为不可避免的杂质，该技术采用金属热还原法+真空感应精炼法制备合金铸锭。
[0010]而在V-4Cr-4Ti合金中掺稀土元素的报道则比较少，相关文献包括:
[0011](I)Toshinori Chuto,Manabu Satou,Akira Hasegawa,et al.Fabricat1nusing a levitat1n melting method of V-4Cr-4T1-S1-Al_Y alloys and theirmechanical properties,J.Nuc1.Mater.,307-31I(2002)555-559；
[0012](2)Takuya Nagasaka,Takeo Muroga,Takeshi Hino,et al.1mpurity behav1rin V-4Cr-4T1-Y alloys produced by levitat1n melting,J.Nucl.Mater.,367-370(2007):823o
[0013]这两篇文献报道的V-4Cr-4Ti_Y合金铸锭的制备方法均采用磁悬浮熔炼法制备，不适用于大规模生产；同时，钇的添加形式为金属钇，由于金属钇非常活泼，在添加前极易氧化，因此也严重影响了合金的性能。
【发明内容】
[0014]针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型抗氦离子溅射的钒合金及其制备方法，其可在不影响合金性能的前提下，大幅增强抗氦离子溅射的能力。
[0015]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0016]—种新型抗氦离子溅射的钒合金，由重量百分比为以下数值的组分组成:
[0017]Cr:3.0 ?6.5%
[0018]T1:3.0 ?6.5%
[0019]Υ:0.1 ?2.0%
[0020]V:余量。
[0021]基于上述合金，本发明还提供了制备该种抗氦离子溅射钒合金的方法，包括以下步骤:
[0022](I)以纯钒枝晶、纯钛颗粒、纯铬颗粒、钛钇中间合金为原料，经表面预处理后，按钒合金成分的重量百分比各自备料；
[0023](2)将各种原料混合，然后依次进行熔炼、浇注，制成V-Cr-T1-Y合金铸锭；
[0024](3)将得到的合金注定重熔3?5次，然后进行退火处理，处理温度为700?900°C，时间为3?48h;
[0025](4)制备包套，并将经退火处理后的合金铸锭装入包套中；
[0026](5)对包套抽真空至I?3\10—屮&，然后在3011^11之内加热至800?900°(3，并保温30?120min;
[0027](6)保温结束后，将包套封口焊接；
[0028](7)将封装后的合金于30min之内加热至800?1200°C，然后放入模具中进行多次变形处理，每次变形量均不超过15%，且每次变形处理的温度为800?1200°C，直至变形量达到50%后，进行空冷；
[0029](8)去除包套，然后将合金于800?1100°C下真空退火处理30min以上，以消除应力；
[0030](9)在室温空气气氛条件下，将退火后的合金进行多次冷变形，每次冷加工的变形量均不超过10%，直至总变形量达到70?95% ；
[0031](10)将冷变形后的合金进行退火处理，处理温度为800?1100°C，退火时间为60?120min，退火后，即可得到抗氦离子溅射的钒合金材料。
[0032]作为优选，所述钛钇中间合金为Ti_20Y中间合金。
[0033]进一步地，所述步骤(2)中，采用非自耗电弧熔炼炉或自耗电弧熔炼炉对混合的原料进行熔炼;并且对合金的熔炼和浇注均在纯度高于99.99 %的氩气保护气氛下进行。
[0034]再进一步地，所述步骤⑶中，将重熔3?5次后的合金铸锭在真空度优于IX 10—3Pa的条件下均匀化退火。
[0035]作为优选，所述包套的材质为不锈钢。
[0036]更进一步地，所述步骤(7)中的模具为用于成形棒、板、管、线或型材的模具;并且所采用的变形处理方式为乳制和锻造中的一种或两种。
[0037]更进一步地，所述步骤(10)中，将冷变形后的合金在真空度优于IX 10—3Pa的真空条件下进行退火处理。
[0038]本发明的设计原理如下:
[0039]由于钒合金抗氦离子溅射的能力与该合金中固溶氧含量及晶粒尺寸密切相关，因此，通过在合金中添加含稀土元素的中间合金，可以使稀土元素夺取钒合金基体中的固溶氧形成稀土氧化物，从而实现该合金的净化和晶粒细化。本发明制备的合金为V-Cr-T1-Y合金，该合金以V-Cr-Ti三元合金系为基础，将Cr、Ti作为主要合金元素，然后通过简单的合金化手段，利用稀土元素对氧的强烈亲和作用，在熔炼过程中形成稀土氧化物，如此一来，一方面，其降低了合金中固溶氧的含量，改善了氧脆的现象；另一方面，高温熔液中形成的钇氧化物在钒合金熔液冷却凝固过程中可以起到晶粒细化剂的作用。这两方面的有效结合可以使钒合金抗氦离子溅射的能力得到大幅增强。
[0040]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0041](I)本发明以V-Cr-Ti三元合金系为基础，将Cr、Ti作为主要合金化元素，通过简单的