稀土元素釔對(duì)粉末冶金制備V-5Cr-5Ti合金微觀組織的影響

程 亮，李 強(qiáng)，董鮮峰，李啟壽，彭麗霞

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稀土元素釔對(duì)粉末冶金制備V-5Cr-5Ti合金微觀組織的影響

程 亮1，李 強(qiáng)1，董鮮峰1，李啟壽1，彭麗霞2

(1. 中國(guó)工程物理研究院，綿陽(yáng)621900；2. 表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)621907)

采用粉末冶金方法，制備含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)釔(0%，0.5%，1%，2%)的V-5Cr-5Ti合金。利用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)等分析稀土元素釔對(duì)V-5Cr-5Ti合金顯微組織的影響。結(jié)果表明添加釔能夠顯著改善釩合金微觀組織結(jié)構(gòu)，使晶粒細(xì)化；可有效消除粗大富鈦條狀第二相，而析出尺寸約為3 μm的富釔顆粒，富釔顆粒分布于晶粒內(nèi)部和晶界處，但以晶粒內(nèi)部為主。

稀土釔；V-5Cr-5Ti合金；富釔相；微觀組織；粉末冶金

釩基合金在國(guó)際上被公認(rèn)為較為理想的聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料，其中最受關(guān)注的是V-(4～5) Cr-(4～5)Ti，它由于具有優(yōu)良的抗中子輻照穩(wěn)定性、低活化性、耐液態(tài)金屬腐蝕性、優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、高傳熱率、低熱膨脹性等特點(diǎn)[1?4]，因而在聚變反應(yīng)堆的第一壁、包層和偏濾器等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以及在航空航天、高溫領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)更受廣泛關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外制備釩合金主要采用熔煉法[5?6]和粉末冶金法[7?10]，其中粉末冶金法最大的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高、成分可調(diào)，但合金中雜質(zhì)含量較難控制，尤其對(duì)釩合金力學(xué)性能有較大影響的氧、碳等元素的控制較難。這些氣體間隙雜質(zhì)固溶到釩合金基體中，使釩合金產(chǎn)生顯著硬化且塑性降低[9]。KUWABRA等[9?10]通過(guò)機(jī)械合金化(MA)和熱等靜壓法(HIP)制備了V- 1.7Y、V-28Cr-2.3Y及V-52Cr-1.8Y合金，研究結(jié)果表明釔可與釩合金中的間隙氧反應(yīng)從而有效脫除基體中固溶的氧原子。

本研究采用粉末冶金法，利用真空燒結(jié)及熱等靜壓致密化處理制備名義成分為V-5Cr-5Ti、V-5Cr-5Ti- 0.5Y、V-5Cr-5Ti-1Y和V-5Cr-5Ti-2Y合金，通過(guò)添加稀土元素釔，奪取釩合金基體中的固溶氧形成稀土氧化物，實(shí)現(xiàn)V-5%Cr-5%Ti合金的凈化和晶粒細(xì)化，以期為V-5Cr-5Ti實(shí)際工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)

以純V、Cr、Ti、Y粉末為原料，規(guī)格及成分如表1所列。在手套箱中對(duì)原料粉末進(jìn)行篩分，采用行星式球磨機(jī)制備混合粉料，球磨時(shí)間4 h，轉(zhuǎn)速260 r/ min，V、Cr、Ti、Y粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90:5:5:0、89.5:5:5:0.5、89:5:5:1和88:5:5:2，這些粉末分別用于樣品A、B、C，D的制備?；旌戏哿显谑痔紫渲醒b入軟膜除氣，在油冷等靜壓機(jī)內(nèi)于200 MPa下冷壓8 min成形；然后將冷壓坯在真空燒結(jié)爐中加熱至1 500 ℃燒結(jié)；燒結(jié)后的樣品在熱等靜壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行致密化處理，熱等靜壓溫度為1 250 ℃，壓力為(135±5) MPa。實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所列。

表1 原料規(guī)格及成分

表2 不同釔含量釩合金的化學(xué)成分

1.2 性能表征

采用排水法在精度為0.01 g的TG320電子天平上測(cè)量樣品密度。利用德國(guó)奧林巴斯GC71金相顯微鏡和KYKY-EM3200掃描電鏡分析合金微觀形貌；采用X’Pert Pro型XRD、System Six Nss300型EDS分析相組成和成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 釔元素對(duì)燒結(jié)態(tài)V-5Cr-5Ti合金顯微組織的影響

圖1為不同釔含量燒結(jié)態(tài)V-5Cr-5Ti合金的金相照片，從圖1(a)可以看出，經(jīng)1 500 ℃/2.5 h燒結(jié)后，未添加釔的V-5Cr-5Ti合金顯微組織主要由單一固溶體區(qū)、條狀第二相以及孔隙組成，晶粒平均尺寸小于40 μm，密度為5.78 g/cm3。添加釔元素后，釩合金顯微組織主要由固溶體區(qū)、晶界和晶粒內(nèi)部析出第二相顆粒以及孔隙組成，晶粒組織細(xì)小，但相對(duì)不均勻，尺寸范圍為10~40 μm。隨釔含量增加，析出的第二相顆粒數(shù)量隨之增加，這主要是由于釔易與釩合金基體中的氧、碳等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，釔含量增加，成核數(shù)也隨之增多。含釔0.5%、1%、2%燒結(jié)樣實(shí)際密度測(cè)試結(jié)果分別為5.44 g/cm3、5.41 g/cm3、5.15 g/cm3，相對(duì)密度分別為85%、89.9%、91.7%。表明相對(duì)密度隨釔含量增加而提高。這可能與合金中吸附的氣體原子與釔發(fā)生反應(yīng)從而填充孔隙有關(guān)。

2.2 釔元素對(duì)熱等靜壓態(tài)V-5Cr-5Ti合金顯微組織的影響

圖2為不同釔含量熱等靜壓態(tài)V-5Cr-5Ti合金的金相照片。燒結(jié)樣品經(jīng)1 250 ℃/(135±5) MPa/2.5 h熱等靜壓致密化處理后，由圖2(a)可以看出，未添加釔的V-5Cr-5Ti合金致密化效果顯著，孔隙基本消除，顯微組織主要由固溶體區(qū)及條狀第二相組成，晶粒尺寸略有長(zhǎng)大，平均尺寸約為60 μm，密度為6.05 g/cm3，相對(duì)密度在99.8%以上。添加釔元素后，釩合金顯微組織細(xì)化，尺寸范圍為10~80 μm，且局部出現(xiàn)晶粒細(xì)化區(qū)，細(xì)化區(qū)晶粒平均尺寸為15 μm，在晶界和晶粒內(nèi)部有第二相顆粒析出，如圖2(b)~(d)所示。添加釔后合金的晶粒細(xì)化主要與分布于晶界處的第二相顆粒有關(guān)，通過(guò)降低晶界能，減小晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，阻止晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。隨釔含量增加，析出第二相顆粒數(shù)量顯著增加，原因與燒結(jié)態(tài)析出第二相數(shù)量變化相同。但不同釔含量的樣品密度并無(wú)差別，均為6.05 g/ cm3，基本達(dá)到全致密。

圖1 燒結(jié)態(tài)下不同釔含量的V-5Cr-5Ti合金的金相照片

圖2 熱等靜壓態(tài)下不同釔含量的釩合金金相照片

2.3 釔元素對(duì)第二相的影響

按照配比稱取聚氨酯丙烯酸酯(B-286c)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-嗎啉-1-丙酮(907)于100 mL燒杯中，攪拌均勻得到透明的淡黃色粘稠液體，即所需的自由基型紫外光固化材料，對(duì)其編號(hào)并置于暗處貯存。

在真空燒結(jié)和熱等靜壓制備的V-5Cr-5Ti合金中都能觀察到這種粗大的條狀第二相(圖1(a)、圖2(a)、圖3(a))，長(zhǎng)約10 μm。根據(jù)文獻(xiàn)[10?13]相關(guān)報(bào)道可知，該第二相為Ti-CON相。在粉末冶金制備釩合金過(guò)程中，由于對(duì)釩合金性能有較大影響的氧、碳等雜質(zhì)元素的含量較難控制，因而較易形成第二相。通過(guò)添加微量釔，可有效改善釩合金顯微組織結(jié)構(gòu)，如圖3(b)~(d)所示。顯微照片表明添加稀土元素釔后，這種富鈦條狀第二相消失。這主要是由于釔較鈦、釩、鉻活潑，對(duì)氧、碳等雜質(zhì)更具有化學(xué)親和力，在粉末冶金真空燒結(jié)或熱等靜壓處理過(guò)程中與這些雜質(zhì)反應(yīng)而形成富釔相顆粒析出。

2.4 富釔相在V-5Cr-5Ti合金中的分布

圖4所示為不同釔含量釩合金試樣的SEM圖像及EDS圖譜，可以看出：含釔釩合金均有富釔顆粒析出，分布于晶界和晶粒內(nèi)部，且以晶粒內(nèi)部為主，但合金基體中并沒(méi)有探測(cè)到釔。這是由于在粉末冶金制備過(guò)程中，真空燒結(jié)和熱等靜壓溫度均在合金液相線以下，釔原子在固態(tài)下相對(duì)液態(tài)擴(kuò)散較為緩慢，與其他合金元素反應(yīng)時(shí)，大部分析出的富釔第二相來(lái)不及在晶界析出，因而合金化過(guò)程中富釔第二相顆粒主要在晶粒內(nèi)部析出。由圖4可以看出：隨釔含量增加，析出的富釔第二相顆粒尺寸無(wú)明顯變化，約為幾微米，為不規(guī)則幾何形狀。析出的富釔第二相通常伴有O、C、V、Ti等元素析出，這主要是由于稀土元素釔易于與O、C形成Y2O3、YC等細(xì)小的顆?；衔?，與V，Ti等也能有少量固溶。

3 結(jié)論

1) 利用粉末冶金真空燒結(jié)及熱等靜壓致密化處理制備了不同釔含量的V-5Cr-5Ti合金棒材，合金相對(duì)密度大于99.8%。

2) 添加稀土釔可顯著改善釩合金微觀組織結(jié)構(gòu)，有效消除粗大富鈦條狀相，并可起到細(xì)化晶粒的作用。

3) 富釔第二相尺寸約為3 μm，分布于晶粒內(nèi)部和晶界處，且以晶粒內(nèi)部為主。

圖3 熱等靜壓態(tài)下不同釔含量V-5Cr-5Ti合金SEM形貌

圖4 不同釔含量釩合金SEM形貌及含釔第二相和合金基體EDS能譜

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(編輯 高海燕)

Effect of yttrium on microstructure of V-5Cr-5Ti alloys prepared by powder metallurgy

CHENG Liang1, LI Qiang1, DONG Xian-feng1, LI Qi-shou1, PENG Li-xia2

(1. Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China;2. National Key Laboratory for Surface Physics and Chemistry, Mianyang 621907, China)

V-5Cr-5Ti alloys with various mass fraction of yttrium (0%, 0.5%, 1%, 2%) were prepared by powder metallurgy. In order to analyse the effect of yttrium addition on microstructure of vanadium alloys, techniques of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) were applied. Results are as follows: rare-earth yttrium shows great affect on the microstructure of vanadium alloys. The addition of yttrium can refine the grain size, and eliminate the strip sharped Ti-enriched second phases effectively. Instead, yttrium- enriched phases with sizes of about three micrometers are formed mostly inside the grains, and also in the grain boundaries.

rare-earth yttrium; V-5Cr-5Ti alloy; yttrium-enriched phase; microstructure; powder metallurgy

TG146.4

A

1673-0224(2015)1-14-05

2014-04-04；

2014-06-30

李強(qiáng)，高級(jí)工程師。電話：0816-3626990；E-mail: mcchengliang@126.com