【摘 要】
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随着新型核聚变堆设计进程的逐步推进,第一壁内衬结构材料地研发迫在眉睫。钒基合金因活化特性低、高熔点、抗辐照性能优异而逐渐成为研究热点,但低强度和高温力学性能数据匮乏限制了钒合金的工程应用。高温与强辐射条件下稳定的单相结构和低活化特性决定了材料的服役安全性。本课题创新性的提出完全采用低活化特性元素来设计V基高熵合金,以真空氩弧熔炼的方法制备母合金,通过调控各元素的成分和微量元素La、Ta、W、Y掺杂
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随着新型核聚变堆设计进程的逐步推进,第一壁内衬结构材料地研发迫在眉睫。钒基合金因活化特性低、高熔点、抗辐照性能优异而逐渐成为研究热点,但低强度和高温力学性能数据匮乏限制了钒合金的工程应用。高温与强辐射条件下稳定的单相结构和低活化特性决定了材料的服役安全性。本课题创新性的提出完全采用低活化特性元素来设计V基高熵合金,以真空氩弧熔炼的方法制备母合金,通过调控各元素的成分和微量元素La、Ta、W、Y掺杂的方式调整、稳定合金的相结构,优化合金的力学性能,制备出高热稳定性、高抗辐照的单相BCC结构低活化V基多主元高熵合金。本文制备的V-Fe-Cr-Mn与V-Fe-Cr-Mn+Xx多主元合金为单相BCC结构。通过对V-Fe-Cr-Mn系列合金筛选得到V50Fe15Cr15Mn20合金,为BCC单相结构固溶体,固溶强化作用致使合金表现出优异的力学性能,常温压缩测试屈服强度、抗压强度分别为1189 MPa和1591 MPa,断裂应变为27%;1000℃退火1h合金相结构保持稳定,1200℃退火1h后出现Fe MnxC/O析出相,进一步强化合金基体,1000℃退火10 h相对退火1h合金性能有所回复,屈服、抗压强度保持在901 MPa和1688 MPa;高温压缩测试V50Fe15Cr15Mn20合金在800℃时压缩屈服强度高达795 MPa,高温性能远超同类抗辐照材料。设计低活化体系V基合金对照组,经过热稳定性测试发现合金元素种类的增加可以显著提升材料的力学性能,维持合金的单相BCC结构在长时间高温退火时的稳定性,实验证明V50Fe15Cr15Mn20合金相结构稳定性最佳。合金在400℃经过6 Me V Au3+1E16 ions/cm~2剂量辐照后均产生了高密度位错环,离子注入深度300～600 nm范围内的平均纳米压痕硬度显示纯V材料明显硬化,在离子注入深度方向对照组均发生了硬化,但元素种类的增加可以保护内层基体,使硬化层深度减小,V50Fe15Cr15Mn20合金整体硬化现象不明显,抗辐照性能相对较好。掺杂合金元素后,五元合金的相结构基本保持稳定,V50Fe15Cr15Mn20掺杂La、Y元素净化合金熔液形成杂质化合物弥散在基体中,部分与主元素形成合金固溶体,可改善合金塑性;掺杂W、Ta元素可以进一步增强合金的强度。V50Fe15Cr15Mn20+La2.0合金的屈服强度、抗压强度和断裂应变分别为1065 MPa、1590 MPa和33%;V50Cr15Fe15Mn20+W2.0的屈服强度、抗压强度和断裂应变分别为1241 MPa,1684 MPa和30%;高温压缩测试显示掺杂La2.0、Y0.5会提升合金的塑性,但高温屈服强度逐渐降低,掺杂W2.0、Ta1.0后合金的高温性能显著提升,在800℃高温强度依然保持稳定,V50Fe15Cr15Mn20+W2.0更为突出,高温压缩屈服强度分别为1064 MPa/600℃、857 MPa/800℃、173 MPa/1000℃,高温性能、热稳定性优于同类抗辐照结构材料和V基材料。
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