一种钒铬钛合金板及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低成本钒铬钛合金板及其制备方法，属于金属塑性加工技术领域。
【背景技术】
[0002]钒铬钛合金因其具有长期稳定的低放射性、低的衰变热，并可回收利用；抗辐照肿胀、温度可达到850°C的耐热性、高热导、低热膨胀，低热应力、高的温度适用极限、在液态锂回路中有良好的相容性，以及良好的可加工性能，可乳成薄片、挤成管状，可焊接性好等特点，而被选作为聚变堆V-Li包层的结构材料，其中又以V4Cr4Ti及V5Cr5Ti合金最具代表性。
[0003]20世纪60年代以来，国外就开始了钒合金的制备及基础研究工作。目前制备方法主要有电子束熔炼、真空自耗电极电弧熔炼、磁悬浮熔炼和粉末冶金。进入九十年代，在国际热核实验堆(ITER)国际合作项目的推动下，越来越多的国家和研究机构开始研究钒铬钛合金体系，但研究成果大多处于保密状态，关于该合金的详细加工参数更是鲜见报道。美国采用电子束熔炼+真空自耗电极电弧熔炼的双联方法，制备出了 1200kg的V-5Cr-5Ti合金铸锭，并在1996年将其应用到DII1-D Tokamak装置中。我国关于该类合金的制备技术和理论研究起步比较晚，规模较小(几十克?一百千克)且不够系统，主要在实验室中进行研究测试，且研究成果报道极少。
[0004]这些制备方法大多使用V、Cr、Ti纯金属作为原材料，成本极高。例如纯度99.9%的V，市场价格约为2500元/kg，要配置一炉该合金(20kg，V4Cr4Ti)所需的费用约为5万元，经过熔炼、压力加工、热处理后所获合金板材的价格非常高，限制了该合金的推广应用。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有晶粒细小、成分均匀、表面质量好、性能优异且成本低廉的钒铬钛合金板。
[0006]本发明一种钒铬钛合金板，由以下重量百分比组分组成:V 88?94%，Cr 2.9?6%, Ti 2.6?6%，余量为不可避免杂质；其中，所述杂质元素N1、Mo、Nb、Cu、Al、Fe、S1、P、W、Zr、S、N、C、O 的总质量彡 0.5%0
[0007]进一步的，作为更优选的技术方案，所述一种钒铬钛合金板由以下重量百分比组分组成:V 90?92%，Cr 4?5%，Ti 3.5?5%，余量为不可避免杂质。
[0008]上述所述一种钒铬钛合金板，其特征在于:合金板的屈服强度多390MPa，抗拉强度彡500MPa，伸长率彡28%，断面收缩率彡65%。
[0009]上述所述银络钛合金板的厚度为0.5?10mm。
[0010]本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种钒铬钛合金板的制备方法，具体为提供一种以金属热还原法+真空感应精炼法制备的合金铸锭为坯料，先后进行铸锭均匀化退火、包套锻造开坯、包套热乳、冷乳及固溶+时效处理+随炉充氩冷却等工序制备钒铬钛合金板材的工艺路线。
[0011]本发明一种钒铬钛合金板的制备方法，包括以下步骤:
[0012]a、按照合金板的原料组成的重量百分比，准备V 88?94%，Cr 2.9?6%，Ti2.6?6%，余量为总质量彡0.5%不可避免的杂质；
[0013]b、将a步骤准备好的原料米用金属热还原法制得V-Cr-Ti合金粗品，在真空环境下熔炼成标准要求的V-Cr-Ti合金铸锭，在真空炉中以3?20°C /min的速率升温至1000?1350°C，保温0.5?8h，真空下随炉冷却至室温；
[0014]该步骤将合金原料以金属热还原法+真空感应精炼法制备得到标准要求下的合金铸锭，在真空加热炉中热处理，可消除铸造应力及使组织结构均匀化；
[0015]C、在b步骤冷却后的铸锭上切取坯料，倒角，打磨，放入包套，并对包套抽真空，以3?20°C /min的速率升温至750?850°C，保温I?3h后，将包套封口焊接，得到合金锻造包套体；
[0016]该步骤中对包套抽真空，以及将包套封口焊接，获得合金锻造包套体，是为了实现对该合金在热锻过程中的防氧化保护；
[0017]d、将c步骤得到的合金锻造包套体在电阻炉中以5?20°C /min的速率升温至1050?1350°C，保温0.5?4h后，在I?3吨空气锤上进行锻造开坯，水淬，降至室温并去除包套，清洗，加工成长方形或正方形截面的热乳用板坯；
[0018]其中，锻造开坯的开锻温度为1050?1350°C，终锻温度为1000?1300°C，道次变形量为5?20%，总变形量为40?80%，道次间同炉保温为I?30min ；
[0019]e、将d步骤得到的热乳用板坯按照c步骤制造合金锻造包套体的方法制得热乳包套体，即将热乳用板坯放入包套并置入真空加热炉中，抽真空至3?10 X 10 3Pa,然后以3?200C /min的速率升温至750?850°C，保温时间I?3h ;保温结束后，将包套封口焊接，获得合金热乳包套体，以便实现对该合金在热乳过程中的防氧化保护；再在电阻炉中以5?200C /min的速率升温至1050?1350°C，在该温度下保温0.5?4h，然后在二辊乳机上进行热乳加工，热乳完成后对乳制包套体进行水淬处理降至室温并去除包套，清洗合金并切除微裂纹等缺陷部位，切边加工成规则截面的板坯；
[0020]其中，热乳加工的开乳温度为1050?1350°C，终乳温度为1000?1300°C，乳制速度为0.1?5m/min，道次变形量为2?20%，总变形量为40?80%，道次间同炉保温为I ?30min ；
[0021 ] f、将e步骤得到的板坯在真空炉中以5?20°C /min的速率升温至900?1250°C，保温0.5?4h，真空退火，真空度为3?10 X 10 3Pa,随炉冷却至室温，得到冷乳用板坯；
[0022]g、将f步骤得到的冷乳用板坯在室温空气气氛下，使用二辊乳机对冷乳用板坯进行冷乳加工，冷乳完成后清洗合金，切边加工成规则的截面的板料，得到特定厚度的冷乳板；
[0023]其中，冷乳加工的乳制速度为0.1?5m/min，道次变形量为I?10%，总变形量为40 ?95% ；
[0024]h、将g步骤获得的冷乳板在真空炉中以5?20 °C /min的速率升温至900?12500C，保温0.5?4h后固溶处理，随炉冷却至500?850°C，保温I?24h后进行时效处理，随后采用随炉充氩冷却方式降至室温，清洗，即得。
[0025]上述所述银络钛合金板的制备方法，其中所述b步骤中金属热还原法中还原剂为Ca、Mg中至少一种，调整剂为T1、T12中至少一种。
[0026]上述所述钒铬钛合金板的制备方法，其中所述b步骤中在真空环境下熔炼是指采用水冷铜坩祸真空感应熔炼，炉料不需预先制成电极，可实现液态金属在炉内受到强烈的电磁搅拌作用，可保证熔池的化学成份均匀和温度均匀。
[0027]上述所述钒铬钛合金板的制备方法，其中对包套抽真空或真空炉中的真空度均为3 ?10X10 3Pa0
[0028]上述钒铬钛合金板的制备方法，所述包套的材料为lCrl8Ni9Ti不锈钢、TAl纯钛或TC4钛合金中的一种，厚度为I?20mm ;其内部结构为:坯料的上下受力端面与包套面之间夹有石墨导热垫片，坯料侧边与包套壁之间填充有硅酸铝纤维毡。
[0029]上述钒铬钛合金板的制备方法，所述清洗为清洗合金并切除微裂纹等缺陷部位，使得得到的合金表面更加规则、更加完整。
[0030]上述钒铬钛合金板的制备方法，其中所述二辊乳机的乳辊直径为350mm。
[0031]本发明钒铬钛合金板及其制备方法具有以下有益效果:
[0032](I)本发明采用金属热还原法(金属Ca、Mg为还原剂，TiJ12S调整剂)制备出V-Cr-Ti合金粗品，然后使用真空设备熔炼获得成分满足标准要求的V-Cr-Ti合金铸锭，与使用V、Cr、Ti纯金属粉末配制合金熔炼相比，成本大大降低。
[0033](2)使用水冷铜坩祸感应熔炼炉，炉料不需预先制成电极，可实现液态金属在炉内受到强烈的电磁搅拌作用，可保证熔池的化学成份均匀和温度均匀。
[0034](3)本发明制备钒铬钛合金板采用真空包套，热处理得到合金锻造包套体，实现了对该合金在热锻过程中的防氧化保护，且包套内部结构使用耐高温的硅酸铝纤维毡填充到包套中对坯