一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金制造技術

本發(fā)明專利技術提供了一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，由以下質量百分比的成分組成：由以下質量百分比的成分組成：Al?3.5％～5.5％，V?2.0％～5.0％，Zr?2.0％～5.0％，Cr?0.5％～2.0％，Si?0.1％～0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質。本發(fā)明專利技術鈦合金與傳統(tǒng)TC4鈦合金相比具有相近的室溫綜合力學性能，而其更優(yōu)的低活性、中子輻照組織穩(wěn)定性更適合在中子輻照環(huán)境下使用，同時良好的耐海水腐蝕性能使該鈦合金材料能夠滿足未來濱海核電站和水上浮動核電站包殼結構材料使用，具有廣闊的應用前景。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于結構鈦合金材料領域，具體涉及一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金。
技術介紹
材料問題一直是核能可否實現(xiàn)最終商業(yè)應用的“瓶頸”問題之一，是目前世界上許多國家核能研究的一個主要領域。鈦合金因其具有獨特的機械性能、無磁性、低密度、高熔化溫度、良好的焊接性能、在各種介質中的耐腐蝕性能良好，而越來越廣泛地用于現(xiàn)代船體結構中，如各種機構和裝置的零件,核能設備的管道,特殊系統(tǒng)及船外系統(tǒng)等。在元素周期表中，鈦和鋯均處于IVB族，目前在核電站中應用的鋯金屬具有優(yōu)異的核性能，熱中子吸收截面只有0.18×10-28m2，僅次于Be(鈹)和Mg(鎂),與純鋁的0.22×l0-28m2接近，而且鋯合金如Zr-2、Zr-lNb.Zr-4等的熱中子吸收截面也只有(0.20-0.24)×10-28m2；鋯與核燃料UO2具有很好的相容性；鋯合金在300℃～400℃溫度條件下的高壓水和蒸汽中都具有很好的抗腐蝕性能，在堆內的中子福照性能也很好。鈦具有與鋯相同的密排六方結構,且具有比鋯更好的耐燭性能及機械性能，因此在下一代快中子反應堆中,鈦被認為是具有應用潛能的包殼材料的候選材料。同時鈦合金因其具有獨特的機械性能、無磁性、低密度、高熔化溫度、在各種介質中良好的耐腐蝕性能,加熱到400℃仍保持其各項機械性能，而越來越廣泛地用于水冷動力反應堆結構材料。目前在聚變堆結構候選材料中最有希望的是低活化鐵素體鋼、釩合金和SiC復合材料，他們都有各自的優(yōu)缺點。而根據(jù)殘留放射能的計算結果顯示，當Ti中同時含有V和Cr時，鈦合金材料將具有最大的放射劑量衰變速度。如果能改善或降低鈦合金在中子輻照后吸氫和增加的氚總量，鈦合金也是一種很好的核反應堆結構材料。雖然鈦合金不是傳統(tǒng)的核材料,但作為未來快中了反應堆以及核聚變堆中包殼材料和結構材料的候選材料,鈦及鈦合金正受到越來越多的關注。對于近期提出的反應堆結構材料低活化性，現(xiàn)有核反應堆用鈦合金都不滿足。例如Ti-4Al-2V,Ti-2Al-2.5Zr，Ti-6Al-4V，Ti-5Al-1.5V-1.5Mo，達到環(huán)境安全水平的放射性衰退設計期限都超過100年。然而，目前國內還沒有專門針對核工業(yè)領域中低活化要求而研制的鈦合金。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金。該鈦合金是以V、Cr和Zr低活化元素作為合金化元素的一種新型近α鈦合金，適用于商業(yè)化生產(chǎn)，不需要大規(guī)模工業(yè)投資，具有成熟先進的技術基礎，能夠滿足核工業(yè)領域對結構鈦合金的需求。本專利技術采用的技術方案是：一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al3.5％～5.5％，V2.0％～5.0％，Zr2.0％～5.0％，Cr0.5％～2.0％，Si0.1％～0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質；所述高沖擊韌性是指該鈦合金在25℃室溫條件下的沖擊功為60J以上，所述低活化是指該鈦合金經(jīng)過100年中子輻照后的剩余伽馬輻射功率為1×10-2Sv/h以下。上述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al5.0％，V4.0％，Zr2.0％，Cr1.5％，Si0.3％，余量為鈦和不可避免的雜質。上述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al4.0％，V3.0％，Zr3.0％，Cr1.0％，Si0.1％，余量為鈦和不可避免的雜質。上述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al3.5％，V3.0％，Zr3.0％，Cr0.5％，Si0.1％，余量為鈦和不可避免的雜質。上述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，所述雜質包括Ni、Fe、O、C、Cu、Co和H，所述鈦合金中各雜質的質量百分含量分別為：Ni≤0.005％，F(xiàn)e≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。本專利技術核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金的制備方法為：采用鋁釩中間合金、鋁硅中間合金、電解鉻、海綿鋯、鋁豆和海綿鈦按設計成份混合壓制電極，采用常規(guī)真空自耗電弧爐二次熔煉成合金鑄錠。合金在經(jīng)過β相區(qū)開坯鍛造、α+β兩相區(qū)終鍛制備成棒材或板坯，在經(jīng)α+β兩相區(qū)大變形量熱軋制備成鈦合金棒材或板材，采取熱處理調整鈦合金最終微觀組織，以改善低活化鈦合金的綜合機械性能。熱處理工藝為：900℃～930℃/1h/WQ+810℃～870℃/2h/AC。本專利技術與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：1、本專利技術提供的鈦合金是一種用于核反應堆的Ti-Al-V-Zr-Cr系高沖擊韌性低活化鈦合金，該鈦合金的成分是基于核素受中子輻照后誘導放射性半衰期模擬計算結果，選擇滿足低活化要求的合金元素(Al、V、Zr、Cr、Si)而設計的，不使用半衰期大于100年的元素Mo、Ni、Nb、Sn等，以保證獲得的鈦合金具有低活化特性，同時對雜質元素的含量進行控制至最低。鋁是鈦合金中最重要的強化元素。隨著屈服強度的提高，鋁含量必須增加，但是鋁含量高容易導致應力腐蝕問題，所以目前使用的傳統(tǒng)鈦合金都將鋁含量限制在6％以下。Zr元素強化作用較弱，但對合金塑性降低影響最小，還可以用來提高室、高溫沖擊韌性和耐熱性。V和Cr元素是鈦合金β穩(wěn)定元素，可以提高合金的室溫強度，尤其是Cr元素在α相固溶度內對沖擊韌性有很大影響，鈦合金中同時含有V和Cr時，鈦合金材料將具有最大的放射劑量衰變速度，本專利技術合金中，0.5％～2％Cr和2.0％～5.0％Zr元素使其具有較低的輻照硬化水平和良好的抗腐蝕能力。較低的雜質元素控制不但可以提高合金的沖擊韌性，也有利于提高合金在中子輻照環(huán)境下的組織性能的穩(wěn)定性。0.10％～0.50％的Si起到固溶強化作用和提高高溫蠕變能力。2、本專利技術提供的Ti-Al-V-Zr-Cr系高沖擊韌性低活化鈦合金具有比現(xiàn)有核反應堆用鈦合金TA17(Ti-4Al-2V)、TA16(Ti-2Al-2.5Zr)更優(yōu)的室溫綜合機械性能和微觀組織；而優(yōu)良優(yōu)的低活性、中子輻照組織性能穩(wěn)定性和更高的沖擊韌性，比傳統(tǒng)鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)更適合在強中子場和強磁場環(huán)境的核工業(yè)領域使用。下面結合實施例對本專利技術的技術方案作進一步的詳細描述。附圖說明圖1為本專利技術實施例1高沖擊韌性低活化鈦合金板材的微觀組織圖。圖2為本專利技術實施例2高沖擊韌性低活化鈦合金管材的微觀組織圖。圖3為本專利技術實施例3高沖擊韌性低活化鈦合金棒材的微觀組織圖。具體實施方式本專利技術鈦合金是一種用于核反應堆的Ti-Al-V-Zr-Cr系高沖擊韌性低活化鈦合金，該鈦合金由以下質量百分比的成分組成：Al3.5％～5.5％，V2.0％～5.0％，Zr2.0％～5.0％，Cr0.5％～2.0％，Si0.1％～0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質；所述高沖擊韌性是指該鈦合金在25℃室溫條件下的沖擊功為60J以上，所述低活化是指該鈦合金經(jīng)過100年中子輻照后的剩余伽馬輻射功率為1×10-2Sv/h以下。該鈦合金中的雜質包括Ni、Fe、O、C、Cu、Co和H，所述鈦合金中各雜質的優(yōu)選質量百分含量分別為：Ni≤0.005％，F(xiàn)e≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al?3.5％～5.5％，V?2.0％～5.0％，Zr?2.0％～5.0％，Cr?0.5％～2.0％，Si?0.1％～0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質；所述高沖擊韌性是指該鈦合金在25℃室溫條件下的沖擊功為60J以上，所述低活化是指該鈦合金經(jīng)過100年中子輻照后的剩余伽馬輻射功率為1×10?2Sv/h以下。

【技術特征摘要】
1.一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al3.5％～5.5％，V2.0％～5.0％，Zr2.0％～5.0％，Cr0.5％～2.0％，Si0.1％～0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質；所述高沖擊韌性是指該鈦合金在25℃室溫條件下的沖擊功為60J以上，所述低活化是指該鈦合金經(jīng)過100年中子輻照后的剩余伽馬輻射功率為1×10-2Sv/h以下。2.根據(jù)權利要求1所述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al5.0％，V4.0％，Zr2.0％，Cr1.5％，Si0.3％，余量為鈦和不可避免的雜質。3.根據(jù)權利要求1所述的一種核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：趙彬，趙永慶，張平祥，侯智敏，尹燕飛，曾光，
申請(專利權)人：西北有色金屬研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61