本發(fā)明屬于釩合金復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種釩合金復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

核聚變能的開發(fā)將能夠給人類提供近乎無限的能源，世界各先進(jìn)國家均在該領(lǐng)域投入了巨大力量。以參加國際熱核實驗裝置（International Thermal-nuclear Experimental Reactor, ITER）計劃為主要標(biāo)志，我國的核聚變研究也日趨活躍。另一方面，材料問題是制約核聚變能開發(fā)成功與否的關(guān)鍵問題，其中液態(tài)鋰氚增殖包層的結(jié)構(gòu)材料由于其所處的高通量輻照、高服役溫度以及與液態(tài)鋰的相互作用等問題，引起人們的極大關(guān)注。

釩合金由于其具有的特點，例如低活化性、700℃附近的高溫強(qiáng)度、耐輻照腫脹等，被認(rèn)為是液態(tài)鋰氚增殖包層的結(jié)構(gòu)材料的有力候選之一。尤其是釩合金與液態(tài)鋰的良好相容特性，使得在采用液態(tài)鋰作為氚增殖劑的核聚變堆氚增殖包層設(shè)計中，釩合金是首選的結(jié)構(gòu)材料。但是，為了降低液態(tài)金屬在磁場中運(yùn)動所帶來的磁流體動力學(xué)（Magneto-Hydro-Dynamics, MHD）壓力損失，必須在增殖包層的結(jié)構(gòu)材料表面形成導(dǎo)電絕緣層，而如何在釩合金表面形成穩(wěn)定的絕緣覆蓋層，又是一個重要的問題。釩合金難以像鋼鐵那樣在表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。同時，釩的氧化物熔點較低，在高溫下，隨著釩氧化物的不斷形成和熔化，從而加速了釩合金的腐蝕，以致人們懷疑在高氧分壓的環(huán)境下使用釩合金的可能性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種釩合金復(fù)合材料的制備方法，所述方法將釩合金棒封入鈦金屬套筒內(nèi)以構(gòu)成鍛造構(gòu)件，通過對所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理、熱鍛處理及鍛后熱處理，形成一層擴(kuò)散結(jié)合層,所述擴(kuò)散結(jié)合層位于鈦金屬基體與釩合金基體之間；

進(jìn)一步地，所述方法包括：

S1：將釩合金棒放入鈦金屬套筒內(nèi)，將鈦金屬板焊接在鈦金屬套筒的兩端，完成密封，形成鍛造構(gòu)件；

S2：對S1中所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理；

S3：對S2中所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛壓處理；

S4：對S3中所述的鍛造構(gòu)建進(jìn)行鍛后熱處理；

進(jìn)一步地，S1中所述釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內(nèi)徑；

進(jìn)一步地，S1中所述釩合金棒和鈦金屬套筒的端面先利用機(jī)械加工方法面修平；

進(jìn)一步地，S2中所述預(yù)熱處理的溫度為950-1200℃，預(yù)熱處理時間為30分鐘到3小時；

進(jìn)一步地，S3中所述鍛壓處理的溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%；

進(jìn)一步地，進(jìn)行S4前，可反復(fù)進(jìn)行S2和S3復(fù)數(shù)次，直至獲得具有一定寬度的擴(kuò)散結(jié)合層或一定形狀的鍛件；

進(jìn)一步地，S4中所述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進(jìn)行緩冷或空冷至室溫；

進(jìn)一步地，一種釩合金復(fù)合材料，所述釩合金復(fù)合材料通過上述熱鍛處理和鍛后熱處理，在釩合金基體與鈦金屬基體之間形成牢固的擴(kuò)散結(jié)合層，進(jìn)而形成所述釩合金復(fù)合材料；

進(jìn)一步地，一個實施例中，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為0-20 wt%，Ti含量為0-20 wt%；

進(jìn)一步地，一個實施例中，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為3-6 wt%，Ti含量為3-6 wt%；

進(jìn)一步地，一個實施例中，所述鈦金屬為純鈦金屬，或為鈦合金；

本發(fā)明的有益效果如下：

1）利用本發(fā)明的釩合金復(fù)合材料，可以在鈦金屬表面形成性能更好的絕緣層，進(jìn)而可以減輕當(dāng)釩合金用于氚增殖包層的結(jié)構(gòu)材料時所面臨的MHD壓力損失，從而可以提供可用作核聚變堆氚增殖包層的結(jié)構(gòu)材料以及其他高溫結(jié)構(gòu)材料的釩合金復(fù)合材料；

2）本發(fā)明所述方法對上述鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理，然后對預(yù)熱處理后的上述鍛造構(gòu)件進(jìn)行熱鍛處理，以及，對完成熱鍛處理的上述鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛后熱處理，從而在鈦金屬基體與釩合金基體之間形成一層牢固的擴(kuò)散結(jié)合層。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中所述釩合金復(fù)合材料的鍛造構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中所述釩合金復(fù)合材料中的鈦金屬基體與釩合金基體之間的擴(kuò)散結(jié)合層的微觀結(jié)構(gòu)的金相照片；

圖3為本發(fā)明中所述釩合金復(fù)合材料的制備方法流程圖；

附圖標(biāo)記：1鈦金屬圓板；2 釩合金棒；3鈦金屬套筒。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。下面為本發(fā)明的舉出最佳實施例：

如圖1-圖3所示，本發(fā)明提供一種釩合金復(fù)合材料的制備方法，所述方法將釩合金棒封入鈦金屬套筒內(nèi)以構(gòu)成鍛造構(gòu)件，通過對所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理、熱鍛處理及鍛后熱處理，形成一層擴(kuò)散結(jié)合層,所述擴(kuò)散結(jié)合層位于鈦金屬基體與釩合金基體之間，所述方法包括：

S1：將釩合金棒放入鈦金屬套筒內(nèi)，將鈦金屬板焊接在鈦金屬套筒的兩端，完成密封，形成鍛造構(gòu)件；

S2：對S1中所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理；

S3：對S2中所述鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛壓處理；

S4：對S3中所述的鍛造構(gòu)建進(jìn)行鍛后熱處理。

S1中所述釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內(nèi)徑，所述釩合金棒和鈦金屬套筒的端面先利用機(jī)械加工方法面修平，S2中所述預(yù)熱處理的溫度為950-1200℃，預(yù)熱處理時間為30分鐘到3小時，S3中所述鍛壓處理的溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%，進(jìn)行S4前，可反復(fù)進(jìn)行S2和S3復(fù)數(shù)次，直至獲得具有一定寬度的擴(kuò)散結(jié)合層或一定形狀的鍛件,S4中所述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進(jìn)行緩冷或空冷至室溫。

一種釩合金復(fù)合材料，所述釩合金復(fù)合材料通過上述熱鍛處理和鍛后熱處理，在釩合金基體與鈦金屬基體之間形成擴(kuò)散結(jié)合層，進(jìn)而形成所述釩合金復(fù)合材料，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為0-20 wt%，Ti含量為0-20 wt%。

圖1中，1是鈦金屬圓板，2是由V-4Cr-4Ti釩合金材料車削加工而成的表面光潔的棒材，3為由鈦金屬加工而成為的套筒。鈦金屬套筒3的內(nèi)徑略小于釩合金棒材2的外徑。對鈦金屬套筒3的內(nèi)壁和釩合金棒材2的表面進(jìn)行清潔處理后，將釩合金棒材2放入鈦金屬套筒3內(nèi)，將鈦金屬圓板1焊接在鈦金屬套筒3的兩端，從而對釩合金棒2進(jìn)行密封，形成圖1下部所示結(jié)構(gòu)的鍛造構(gòu)件。接著，對該鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理。預(yù)熱溫度為1150℃，預(yù)熱時間為1小時。預(yù)熱之后對鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛造，鍛造溫度區(qū)間為950℃～1150℃，鍛造變形量為10%。鍛造之后對鍛造構(gòu)件在900℃進(jìn)行鍛后熱處理，鍛后熱處理時間為1小時，最后將鍛造構(gòu)件空冷至室溫。該鍛造構(gòu)件即成為所需的釩合金復(fù)合材料。

在圖2中，左側(cè)為鈦金屬基體，右側(cè)為釩合金基體，在二者之間的帶狀區(qū)域就是擴(kuò)散結(jié)合層。由于該擴(kuò)散結(jié)合層的存在，能夠?qū)⑩C合金與鈦金屬牢固地結(jié)合在一起，從而得到具有鈦金屬－擴(kuò)散結(jié)合層－釩合金這樣三層組織的釩合金復(fù)合材料。

根據(jù)本發(fā)明的釩合金復(fù)合材料，在釩合金外面包覆了一層高溫耐氧化的鈦金屬，從而可以將釩合金與空氣隔離開來，因此即使在高溫下使用，也不用擔(dān)心因為釩合金的氧化而消耗掉釩合金。另外，本發(fā)明采用熱處理和鍛造方法，在釩合金基體與鈦金屬基體形成一層擴(kuò)散結(jié)合層，從而將釩合金與鈦金屬牢固地結(jié)合在一起，增強(qiáng)了釩合金與鈦金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度。

根據(jù)本發(fā)明的釩合金復(fù)合材料，在釩合金表面包覆了一層鈦金屬，之后可以在鈦金屬表面形成氧化物層或氮化物層等絕緣層，從而可以減輕當(dāng)釩合金用于氚增殖包層的結(jié)構(gòu)材料時存在的MHD壓力損失。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，當(dāng)鍛造溫度低于1000℃后，需要停止鍛造，再次對材料進(jìn)行預(yù)熱處理。另外，如果預(yù)熱處理時間過短，鍛造后的材料的形變硬化得不到回復(fù)，則難以再進(jìn)行鍛造，所以預(yù)熱處理時間需要30分鐘到3個小時。另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，希望通過鍛后熱處理促進(jìn)釩合金基體與鈦金屬基體之間的擴(kuò)散結(jié)合層的形成，因此希望鍛后熱處理的溫度高于850℃。

在步驟S1中，將加工好的釩合金棒放入鈦金屬制成的套筒內(nèi)。為了使釩合金棒與鈦金屬套筒緊密接觸，希望釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內(nèi)徑。然后，將鈦金屬圓板焊接在鈦金屬套筒的兩端，從而對釩合金棒材進(jìn)行密封，構(gòu)成鍛造構(gòu)件。為了保證鈦金屬圓板與釩合金棒緊密接觸，可以先利用機(jī)械加工方法面將釩合金棒和鈦金屬套筒的端面修平。

在步驟S2中，對鍛造構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱處理。預(yù)熱處理的溫度在950-1200℃之間，預(yù)熱處理時間為30分鐘到3個小時。

在步驟S3中，對鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛壓處理。上述熱鍛處理的鍛壓溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%。

為了獲得具有一定寬度的擴(kuò)散結(jié)合層，或者，為了獲得一定形狀的鍛件，步驟S3可以反復(fù)進(jìn)行復(fù)數(shù)次。

在步驟S4中，對鍛造構(gòu)件進(jìn)行鍛后熱處理。上述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進(jìn)行緩冷或空冷至室溫。

通過步驟S4的鍛后熱處理，促進(jìn)鈦金屬與釩合金之間的擴(kuò)散結(jié)合層的形成。

以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。