[发明专利]一种纳米结构氧化物弥散强化钒合金及其制备方法

说明书

本发明公开一种纳米结构氧化物弥散强化钒合金及其制备方法。合金组分按质量分数计含Cr：3.9％～4.1％、Ti：3.9％～4.1％、Zr：0.05％～5％、Y：0.1％～4％，余量为V及不可避免的杂质；用V基、V‑Cr基、V‑Cr‑Ti基合金粉，或纯金属元素粉，与金属Zr粉和YH₂粉混合；混合进行球磨，球料比5:1～10:1，球磨机转速200～260转/分钟，磨球直径5～10mm，球磨时间为50～60h；将球磨后的固溶体合金粉进行固体化烧结，烧结温度950～1450℃，保温时间1～15min，烧结压力10～100MPa；将烧结后的合金在1050～1200℃，真空条件下进行真空退火0.5～2h，得到氧化物弥散强化钒合金。

技术领域

本发明涉及一种钒合金制备方法，特别涉及一种用于核反应堆核心部件的耐高温、高强度、抗辐照纳米结构纳米结构ODS钒合金的制备技术。

背景技术

随着经济发展和人口的增长，化石燃料的不可再生的特点以及其带来的环境污染问题迫使我们寻找一种清洁可再生能源，而利用核反应获取能源是解决世界能源危机的一个重要举措。核反应有裂变和聚变两种反应方式，相对于裂变而言，核聚变反应放出的能量更大，燃料丰富、不产生长寿命高放射性废物(氚有放射性但半衰期仅为12.3年)。因此从长远发展的角度看，核聚变能将是解决人类能源问题的理想选择。但聚变堆的工作温度和辐照强度远高于现有裂变堆，因此对聚变堆堆芯核心部件(聚变堆第一壁/包层)结构材料的性能提出了极为苛刻的要求，国际上已经形成共识：虽然有许多高难度技术问题需要解决，但聚变堆的发展将取决于高性能的新型结构材料的发展，即材料是制约聚变堆发展的主要瓶颈。钒基合金具有低活化性、高热传导率、高蠕变强度、低热膨胀性、优良的力学性能和抗辐照肿胀性、与铁基核聚变材料相比，V-Cr-Ti合金整体具有较低中子辐照低活化特性，不仅是ITER项目发展规划中测试包层、聚变能示范堆的候选结构材料，还可应用在航空、国防和高温环境等领域。其中V-4Cr-4Ti合金是作为聚变堆用低活化结构材料的首选，其综合性能最好而且对其进行的研究最为系统。V-4Cr-4Ti在大约700℃仍能保持较高的强度和良好的高温抗蠕变性能。但目前采用熔炼浇注制备的V-4Cr-4Ti合金铸锭的高温强度仍不足和He诱导的脆性限制了其使用温度上限(低于～400℃)，另外嬗变产生的氦对其高温力学性能以及辐照稳定性也有显著影响，严重制约了其作为核反应堆包壳材料的实用化，目前只有纳米结构氧化物弥散强化钒合金有可能满足聚变堆的抗辐照要求，优异的抗辐照性能来自其特征性的微观结构，特别是纳米结构氧化物弥散析出相，但其高温强度和抗辐照性能仍不足。

T.Kuwabara等人在《Materials Science and Engineering》A417(2006)16-23中发表的《Development of an ultra-fine grained V-1.7mass％Y alloy dispersed withyttrium compounds having superior ductility and high strength》文章中指出，V-1.7wt％Y具有良好的强度和塑性；但S.Oda等人在《Journal of Nuclear Materials》329-333(2004)462-466中发表的《High temperature strength of fine-grained,particle-dispersed V-(1.7-2.4)wt％Y alloys with different grain sizes and particledensities》中，对V-(1.7-2.4)wt％Y合金的高温强度研究发现，在800℃时，V-Y合金的强度与V-4Cr-4Ti相当，低于这个温度时，前者显著高于后者；但反过来，超过这个温度时，前者显著低于后者。因此从V-Y合金高温强度来看弱于V-4Cr-4Ti，但合金中没有弥散分布的纳米析出相，将显著影响该合金抗辐照性能。