弥散强化钒合金的制备及性能研究

摘要

发展聚变能是解决当今能源危机的重要举措,由于核聚变的苛刻条件,寻找理想的聚变堆内衬材料显得尤为重要。钒合金的特殊性能(如中子辐照下保持良好的尺寸稳定性和低活化特性、与液体锂良好的相容性、抗辐射诱变膨胀)使其成为核聚变反应堆的内衬结构材料的合适选择,但是较低的抗拉强度阻碍了其工程应用的进程。
　　为了提高钒合金的强度和塑性,本文采用机械合金化的方法,在基体V-4Cr-4Ti合金粉末中添加适量的YH2和Ti3SiC2制成V-4Cr-4Ti-1.8YH2-xTi3SiC2(x=0、0.4、0.8和1.2)系列合金粉末。为了研究粉末机械合金化合理的工艺参数,本实验设置了两个球料比和一系列球磨时间,通过对比得出合理的球磨工艺参数为:球料比7:1,球磨时间为50h-70h。这个阶段合金粉末不仅能够完成机械合金化,而且还没有发现磨球和球罐带来的外来污染。
　　对完成合金化的合金粉末采用放电等离子烧结,经过热等静压技术(SPS-HIP工艺)处理成型试样,并辅以真空退火后处理,得到实测密度达到理论加和密度以上的高密度试样。在整个工序中采用保护措施(用Ta片和Zr箔包覆)可以有效地解决试样渗碳,渗氮和吸氧问题。上述措施不仅能够提高钒合金的致密度,而且有利于消除内应力和脱氢,显著提高了钒合金的力学性能。
　　对不同温度下退火的钒合金的拉伸实验结果进行分析,发现不同热处理温度对合金的力学性能影响较大,添加Ti3SiC2可以显著改善基体V-4Cr-4Ti-1.8YH2合金的拉伸强度、屈服强度和延伸率。V-4Cr-4Ti-1.8YH2-0.4Ti3SiC2合金在退火温度为1100℃时是系列合金综合力学性能最好的,其屈服强度为875MPa、抗拉强度可以达到1108MPa、延伸率为16.8％,对其微观组织进行了表征和分析后发现晶粒尺寸大多在0.5μm以下,合金中存在V-4Cr-4Ti的固溶体,其晶粒尺寸约为400nm。Ti3SiC2相在合金中以大约100nm左右的粒子分布于V基相内部的亚晶界之间,对合金起到弥散强化的作用。添加到合金粉末中的氢化钇(YH2)在高温能够和试样中的氧结合形成20nm左右的Y2O3晶粒弥散分布于基相之中,不仅起到了固氧和净化晶界的作用,而且它对合金细晶强化和弥散强化的作用,从而提高钒合金材料的塑性,提高钒合金的强度。

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1 绪论

1.1 前言

1.2 钒合金的性能

1.3 钒合金的制备方法

1.4 影响钒合金性能的因素

1.5 选题来源、意义及内容

2 钒合金机械合金化工艺的探索

2.1 实验条件

2.2 机械合金化

2.3 机械化合金化结果与分析

2.4 本章小结

3 钒合金的制备及热处理

3.1 实验准备

3.2 钒合金制备过程

3.3 本章小结

4 钒合金的拉伸及力学性质

4.1 钒合金试样的致密度和硬度测试

4.2 钒合金的力学拉伸性能

4.3 钒合金的力学性能结果与分析

4.4 本章小结

5 钒合金的微观组织分析

5.1 实验准备

5.2 V-4Cr-4Ti-1.8YH2-0.4Ti3SiC2合金微观组织相

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的论文