[发明专利]一种力学性能优良的钒合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种力学性能优良的钒合金材料及其制备方法，包括金属钒基体以及均匀弥散分布于金属钒基体中的固溶态氧原子，该方法制备得到的钒合金材料的力学性能优异，且制备成本低，耗时短，消耗能量低。

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种力学性能优良的钒合金材料及其制备方法。

背景技术

钒基合金材料由于其较高的熔点以及出色的抗中子散射吸收截面性能而被广泛认为是核聚变堆第一壁的候选材料之一，但其在力学性能方面一直难以突破，无法同时达到高强高韧的效果，极大地制约了其进一步应用。因此，制备兼具高强度、高硬度以及优良塑性的钒合金材料对于推进其在核能领域的应用就显得非常重要。

氧元素作为一种广泛分布于大气环境中的气体原子对于金属钒材料的力学性能有着显著影响，这主要归因于钒元素对于氧原子具有极大的亲和力，从而在加工过程中很容易吸入氧元素进而改变钒材料力学性能。因此先前的许多工作聚焦于材料的表面改性研究以阻挡氧元素扩散进入金属钒内部，例如增加涂层材料。

运用低压等离子体喷涂或钎焊喷涂的方式在钒基合金表面增加金属钨涂层，可有效限制氧原子的渗入，可以提高钒基合金的强度(Nagasaka T,et al.2011,417(1-3):306-309.)。然而由于基体金属V与涂层金属W的热膨胀系数存在显著差异，因此喷涂后涂层与基体金属间残留有热应力，带来潜在的失效风险。同时由于该喷涂工艺是在高温下进行，因此在喷涂时容易吸收气体杂质元素使得涂层内部留有气孔，在热应力的作用下进一步变形长大，使得涂层致密性降低，严重影响服役可靠性。因此仍需要后续的高温热处理手段来改善涂层性质，这样一来生产成本增加，工艺更加繁琐。综上该工艺对于金属钒及其合金的力学性能改善效果不显著，无法满足工业应用。

当氧无法得到阻隔进而扩散至金属钒材料内部之后，会带来显著的强度提升。基于这一作用效果，利用氧实现材料强化的研究得到广泛开展。经过前人多年的探索及实践，在材料中添加合金元素以形成合金氧化物成为了力学强度设计的一种途径。

向金属钒及钒基合金中引入钛、铬等难熔金属元素以及钇等稀土元素是现阶段应用最为广泛的强化手段(Nagasaka T,et al.Nuclear Fusion,2006,46(5):618-625.)。作用机制在于Ti、Cr等合金元素在一定的高温处理之后会吸收金属基体中的杂质气体氧元素，偏聚形成Ti-O结构的氧化物团簇体析出相，该类型氧化物的强度高，因此受力服役时可显著阻碍基体材料内部的位错运动，进而提高材料强度。除此之外，添加稀土元素钇能够进一步增加钒基合金的强度(Muroga T,et al.Journal of Nuclear Materials,2014,455(1-3):263-268)，其原因在于Y对气体元素O具有极强的亲和力，加强了对基体金属中O的吸收，从而生成Y₂O₃氧化物，同时能够改善钒基合金的抗冲击性能以及高温蠕变性能。然而添加上述合金元素所形成的氧化物本身是一种硬质金属相，这些硬质氧化物团簇体对于材料内部位错的运动会起到强烈的阻碍作用，抑制了位错的滑移。而位错运动是材料产生良好变形能力的承载体，因此这种强化手段是在严重牺牲材料本身的良好塑性的前提下实现的。由钒基合金材料所制成的结构件一旦在服役时承受超过其本身强度极限的应力状态，就会发生毫无征兆的脆性断裂，这对于材料的工业应用是非常可怕的。除此之外引入合金元素尤其是昂贵的稀土元素会增加工业生产成本。这些合金元素的添加需在初始工艺时增加对原始材料的高温熔炼，同时为防止合金元素发生严重偏聚，通常情况下后续工艺还需在1000℃以上进行热轧加工。因此这一工艺整体所耗能量高，制备周期长，带来极大的物质成本及时间成本。

综上所述，上述方法虽然都能够调控金属钒及钒基合金材料的力学性能，然而其自身均存在一定弊端，不能够达到工业应用所要求的可靠性高、批量自动化生产以及成本低廉的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种力学性能优良的钒合金材料及其制备方法，该方法制备得到的钒合金材料的力学性能优异，且制备成本低，耗时短，消耗能量低。