本發(fā)明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。

背景技術：

材料問題一直是核能可否實現最終商業(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。

技術實現要素：

本發(fā)明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，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。

本發(fā)明采用的技術方案是：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：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：Al 5.0％，V 4.0％，Zr 2.0％，Cr 1.5％，Si 0.3％，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：Al 4.0％，V 3.0％，Zr 3.0％，Cr 1.0％，Si 0.1％，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：Al 3.5％，V 3.0％，Zr 3.0％，Cr 0.5％，Si 0.1％，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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

本發(fā)明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。

本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明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，本發(fā)明合金中，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、本發(fā)明提供的Ti-Al-V-Zr-Cr系高沖擊韌性低活化鈦合金具有比現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發(fā)明的技術方案作進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1高沖擊韌性低活化鈦合金板材的微觀組織圖。

圖2為本發(fā)明實施例2高沖擊韌性低活化鈦合金管材的微觀組織圖。

圖3為本發(fā)明實施例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

本發(fā)明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：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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。該鈦合金的制備過程是：按照合金的設計成分配制合金料，原材料選用鋁豆、鋁釩中間合金Al-85V、釩鉻中間合金Al-10Si、鋁硅中間合金、電解鉻、海綿鋯或晶條鋯等。按配比成分混料后壓制電極，在真空自耗電弧爐中熔煉兩次或三次獲得合金鑄錠。鑄錠扒皮、切去冒口和尾端后，經過開坯鍛造成棒材或板坯、板坯經中間多火次軋制變形、制備成鈦合金板材、用于制造核反應堆壓力容器或結構件。開坯鍛造加熱溫度為1050℃～1150℃，反復墩拔的加熱溫度為合金β轉變溫度以下30℃～50℃，即(T_β-50)℃～(T_β-30)℃。

實施例1

本實施例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：Al 3.5％，V 3.0％，Zr 3.0％，Cr 0.5％，Si 0.1％，余量為鈦和不可避免的雜質。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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

本實施例核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金的制備方法為：按名義成分Ti-3.5Al-3V-3Zr-0.5Cr-0.1Si(質量百分比，％)配制鈦合金料，原材料使用0級海綿鈦、Al-55V中間合金、Al-10Si中間合金、電解鉻、海綿鋯及鋁豆，混料后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉二次獲得合金鑄錠?？刂畦T錠雜質元素含量Ni≤0.005％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。鑄錠經扒皮、切冒口和尾端后，在1100℃開坯鍛造，在(T_β-50)℃～(T_β-30)℃進行多火次墩拔后鍛制成厚度δ120mm×800mm×L板坯。板坯經兩火次軋制制備成δ20mm×1000mm×2000mm板材，將板材經900℃/1h/WQ+860℃/2h/AC熱處理，退火后的板材室溫力學性能：拉伸強度837MPa，屈服強度748MPa，斷面收縮率66％，延伸率22％，室溫沖擊功大于84J(V型缺口)。

對本實施例鈦合金中的主要元素：Ti、Al、V、Zr、Cr和Mo分別進行中子輻照，計算各元素經中子輻照后感生放射性活度，分析計算結果可知，本實施例所用合金元素感生放射性活度均能在10²年內衰退到1×10^-2希沃特/小時以下。本實施例設計制備的高沖擊韌性低活化鈦合金板材的顯微組織見圖1。由圖1可知該鈦合金板材為等軸組織，在晶界處有少量β相析出，鈦合金中雜質元素含量達到低間隙要求。在服役環(huán)境下，在材料設計壽命內，滿足核反應堆低活性應用要求。合金組織中板條α相有助于改善鈦合金的沖擊韌性。以上表明此鈦合金具有良好的強韌性匹配，在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和低活性，滿足核反應堆使用要求。

實施例2

本實施例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：Al 4.0％，V 3.0％，Zr 3.0％，Cr 1.0％，Si 0.1％，余量為鈦和不可避免的雜質。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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

按名義成分Ti-4Al-3V-3Zr-1Cr-0.1Si(質量百分比，％)配制鈦合金料，原材料使用0級海綿鈦、Al-85V中間合金、Al-10Si中間合金、電解鉻、精條鋯及鋁豆，混料后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉二次獲得合金鑄錠?？刂畦T錠雜質元素含量Ni≤0.005％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。鑄錠經扒皮、切冒口和尾端后，在1100℃開坯鍛造，在(T_β-50)℃～(T_β-30)℃進行多火次墩拔后鍛制成φ185mm棒坯。棒坯經擠壓或斜軋穿孔制備成φ105mm×7mm×L管坯，將管坯經910℃/1h/WQ+850℃/2h/AC熱處理后得到管材，對管材進行力學性能測試：拉伸強度847MPa，屈服強度782MPa，斷面收縮率60％，延伸率19％，室溫沖擊功大于75J(V型缺口)。

對本實施例鈦合金中的主要元素：Ti、Al、V、Zr、Cr和Mo分別進行中子輻照，計算各元素經中子輻照后感生放射性活度，分析計算結果可知，本實施例所用合金元素感生放射性活度均能在10²年內衰退到1×10^-2希沃特/小時以下。本實施例設計制備的高沖擊韌性低活化鈦合金管材的顯微組織見圖2。由圖2可知該鈦合金管材由等軸組織為主，還有一定量的板條α雙態(tài)組織，本發(fā)明設計制備的低活化鈦合金中雜質元素含量達到低間隙要求。在服役環(huán)境下，在材料設計壽命內，滿足核反應堆低活性應用要求。合金組織中板條α相有助于改善鈦合金的沖擊韌性。以上表明此鈦合金具有良好的強韌性匹配，在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和低活性，滿足核反應堆使用要求。

實施例3

本實施例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：Al 5.0％，V 4.0％，Zr 2.0％，Cr 1.5％，Si 0.3％，余量為鈦和不可避免的雜質。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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

按名義成分Ti-5Al-4V-2Zr-1.5Cr-0.3Si(質量百分比，％)配制鈦合金料，原材料使用0級海綿鈦、Al-55V中間合金、電解鉻、海綿鋯及鋁豆?；炝虾髩褐齐姌O，用真空自耗電弧爐熔煉二次獲得合金鑄錠?？刂畦T錠雜質元素含量Ni≤0.005％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。鑄錠經扒皮、切冒口和尾端后，在1100℃開坯鍛造，在(T_β-50)℃～(T_β-30)℃進行多火次墩拔后鍛制成□150mm方坯，方坯經兩火次軋制制備成φ25mm×L棒材，將棒材經910℃/1h/WQ+830℃/2h/AC熱處理后進行力學性能測試：拉伸強度907MPa，屈服強度820MPa，斷面收縮率55％，延伸率18％，室溫沖擊功大于68J(V型缺口)。

對本實施例鈦合金中的主要元素：Ti、Al、V、Zr、Cr和Mo分別進行中子輻照，計算各元素經中子輻照后感生放射性活度，分析計算結果可知，本實施例所用合金元素感生放射性活度均能在10²年內衰退到1×10^-2希沃特/小時以下。本實施例設計制備的高沖擊韌性低活化鈦合金棒材的顯微組織見圖3。由圖3可知該鈦合金棒材主要是少量的等軸α和α+β雙態(tài)組織，鈦合金中雜質元素含量達到低間隙要求。在服役環(huán)境下，在材料設計壽命內，滿足核反應堆低活性應用要求。合金組織中板條α相也有助于改善鈦合金的沖擊韌性。該合金室溫拉伸強度907MPa，屈服強度820MPa，斷面收縮率大于55％，延伸率大于18％，室溫沖擊功大于68J(V型缺口)，以上表明此鈦合金具有良好的強韌性匹配，在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和低活性，滿足核反應堆使用要求。

實施例4

本實施例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：Al 4.0％，V 2.0％，Zr 3.0％，Cr 0.5％，Si 0.5％，余量為鈦和不可避免的雜質。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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

本實施例核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金的制備方法為：按名義成分Ti-4Al-2V-3Zr-0.5Cr-0.5Si(質量百分比，％)配制鈦合金料，原材料使用0級海綿鈦、Al-85V中間合金、Al-10Si中間合金、電解鉻、精條鋯及鋁豆，混料后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉二次獲得合金鑄錠?？刂畦T錠雜質元素含量Ni≤0.005％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。鑄錠經扒皮、切冒口和尾端后，在1100℃開坯鍛造，在(T_β-50)℃～(T_β-30)℃進行多火次墩拔后鍛制成φ185mm棒坯。棒坯經擠壓或斜軋穿孔制備成φ105mm×7mm×L管坯，將管坯經930℃/1h/WQ+870℃/2h/AC熱處理后進行力學性能測試：拉伸強度830MPa，屈服強度700MPa，斷面收縮率60％，延伸率24％，室溫沖擊功大于78J(V型缺口)。

對本實施例鈦合金中的主要元素：Ti、Al、V、Zr、Cr和Mo分別進行中子輻照，計算各元素經中子輻照后感生放射性活度，分析計算結果可知，本實施例所用合金元素感生放射性活度均能在10²年內衰退到1×10^-2希沃特/小時以下。本實施例設計制備的高沖擊韌性低活化鈦合金管材以等軸組織為主，還有一定量的板條α雙態(tài)組織，本發(fā)明設計制備的低活化鈦合金的顯微組織為雙態(tài)組織，鈦合金中雜質元素含量達到低間隙要求。在服役環(huán)境下，在材料設計壽命內，滿足核反應堆低活性應用要求。合金組織中板條α相有助于改善鈦合金的沖擊韌性。以上表明此鈦合金具有良好的強韌性匹配，在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和低活性，滿足核反應堆使用要求。

實施例5

本實施例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：Al 5.5％，V 5.0％，Zr 5.0％，Cr 2.0％，Si 0.1％，余量為鈦和不可避免的雜質。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％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。

本實施例核反應堆用高沖擊韌性低活化鈦合金的制備方法為：按名義成分Ti-5.5Al-5V-5Zr-2Cr-0.1Si(質量百分比，％)配制鈦合金料，原材料使用0級海綿鈦、Al-55V中間合金、電解鉻、海綿鋯及鋁豆?；炝虾髩褐齐姌O，用真空自耗電弧爐熔煉二次獲得合金鑄錠?？刂畦T錠雜質元素含量Ni≤0.005％，Fe≤0.03％，O≤0.15％，C≤0.02％，Cu≤0.005％，Co≤0.0001％，H≤0.003％。鑄錠經扒皮、切冒口和尾端后，在1100℃開坯鍛造，在(T_β-50)℃～(T_β-30)℃進行多火次墩拔后鍛制成□150mm方坯，方坯經兩火次軋制制備成φ25mm×L棒材，將棒材經900℃/1h/WQ+810℃/2h/AC熱處理后進行力學性能測試：拉伸強度925MPa，屈服強度850MPa，斷面收縮率50％，延伸率17％，室溫沖擊功大于65J(V型缺口)。

對本實施例鈦合金中的主要元素：Ti、Al、V、Zr、Cr和Mo分別進行中子輻照，計算各元素經中子輻照后感生放射性活度，分析計算結果可知，本實施例所用合金元素感生放射性活度均能在10²年內衰退到1×10^-2希沃特/小時以下。本實施例設計制備的高沖擊韌性低活化鈦合金棒材主要是少量的等軸α和α+β雙態(tài)組織，鈦合金中雜質元素含量達到低間隙要求。在服役環(huán)境下，在材料設計壽命內，滿足核反應堆低活性應用要求。合金組織中板條α相也有助于改善鈦合金的沖擊韌性。該合金室溫拉伸強度925MPa，屈服強度850MPa，斷面收縮率大于50％，延伸率大于17％，室溫沖擊功大于65J(V型缺口)，以上表明此鈦合金具有良好的強韌性匹配，在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和低活性，滿足核反應堆使用要求。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。