稀土元素钇对粉末冶金制备V-5Cr-5Ti合金微观组织的影响.pdf

第 2 0 卷第 1 期 V b 1 ． 2 O NO ． 1 粉 末冶金材料科 学与工程 M a t e r i a l s Sc i e nc e and Eng i ne e r i ng of Powder M e t a l l ur g y 2 0 1 5年 2月 Fe b． 2 01 5 稀土元素钇对粉末冶金制备 V ． 5 C r ． 5 T i 合金 微观组织的影响 程亮 ，李强 ，董鲜峰 ，李启寿 ，彭丽霞 1 ．中国工程物理研究院，绵阳 6 2 1 9 0 0 ；2 ． 表面物理与化学重点实验室，绵阳 6 2 1 9 0 7 摘要采用粉 末冶金 方法，制各含 不同质量 分数钇 0 ％，O ． 5 ％，1 ％，2 ％ 的 V 一 5 C r - 5 T i 合金 。利 用金 相显微镜 、 扫描电镜 S E M 和能谱仪 E D S 等分析稀土元素钇对V一 5 C r - 5 T i 合金显微组织的影响。 结果表明添加钇能够显著改 善钒合金微观组织结构 ，使晶粒细化 ；可有效消除粗大富钛条状第二相 ，而析 出尺寸约 为 3 ix m 的富钇颗粒 ，富 钇颗粒分布于晶粒 内部和 晶界处 ，但 以晶粒 内部 为主 。 关键词稀土钇；V ． 5 C r ． 5 T i 合金；富钇相；微观组织；粉末冶金 中图分类号T G1 4 6 ． 4 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 5 1 ． 1 4 ． 0 5 Ef f e c t o f y t t r i u m o n m i c r o s t r uc t ur e o f V- 5 Cr - 5 Ti a l l o y s p r e pa r e d b y po wd e r me t a l l ur g y C HE NG L i a n g ， L I Q i a n g ， DO NG X i a n - f e n g ， L I Q i ． s h o u ， P E NG L i 。 x i a 2 1 ． C h i n e s e A c a d e my o f E n g i n e e ri n g P h y s i c s ， Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Na t i o n a l Ke y L a b o r a t o r y f o r S u r f a c e P h y s i c s a n d C h e mi s t ry， Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 7 ， C h i n a A b s t r a c t V 一 5 C r 一 5 T i a l l o y s wi t h v a ri o u s m a s s f r a c t i o n o f y t t ri u m O ％， 0 ． 5 ％，1 ％， 2 ％we r e p r e p a r e d b y p o wd e r me t a l l urg y ． I n o r d e r t o a n a l y s e t h e e f f e c t o f y tt r i u m a d d i t i o n o n mi c r o s t r u c t ure o f v a n a d i u m a l l o y s ， t e c h n i q u e s o f o p t i c a l mi c r o s c o p y O M ， s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y S E M a n d e n e r gy d i s p e r s i v e X r a y s p e c t r o me t e r E DS we r e a p p l i e d ． Re s u l t s a r e a s fo l l o ws r a r e e a r t h y t t r i u m s h O WS g r e a t a f f e c t o n t h e m i c r o s t r u c t u r e o f v a n a d i u m a l l o y s ． Th e a d d i t i o n o f y t t r i u m c a n r e fi n e t h e g r a i n s i z e ， a n d e l i mi n a t e t h e s t ri p s h a r p e d T i e n r i c h e d s e c o n d p h a s e s e f f e c t i v e l y ． I n s t e a d ， y t t ri u m- e n ri c h e d p h a s e s wi t h s i z e s o f a b o u t t h r e e mi c r o me t e r s a r e f o r m e d m o s t l y i n s i d e t h e gra i n s ，a n d a l s o i n t h e gra i n bo un da rie s ． K e y wo r d s r a r e e a r t h y t t ri u m； V一 5 Cr 一 5 Ti a l l o y ； y tt r i u m e n r i c h e d p h a s e ； m i c r o s t r u c t u r e ； p o wd e r me t a l l u r gy 钒基合金在 国际上被 公认为较 为理想 的聚变堆结 构材料 的候选材料 ，其 中最 受关注的是 V ． 4 ～5 c r ． f 4 ～5 T i ，它由于具有优良的抗中子辐照稳定性、 低活化性 、耐 液态金属腐蚀性 、优 良的高温强度 、高 传热率、 低热膨胀性等特点[ 1 - 4 1 ，因而在聚变反应堆的 第一壁、包层和偏滤器等结构设计中，以及在航空航 天、高温领域都具有广 阔的应用前景 ，近年来更受广 泛关注。 目前， 国内外制备钒合金主要采用熔炼法I 5 】 和粉 末冶金法[ 7 - 1 o 】 ，其 中粉末冶金法最 大的优点是材料利 用率高、成分可调 ，但合金 中杂质含量较难控制 ，尤 其对钒合金力 学性 能有较大 影响的氧、碳 等元素的控 制较难 。这些气 体间隙杂质 固溶到钒合金基体中 ，使 钒合金产 生显 著硬化 且塑性 降低 。 K U WAB R A等[ 9 - | 0 】 通过机械合金化 MA 和热等静压法 H I P 制备了 V ． 1 ． 7 Y、V - 2 8 C r - 2 ． 3 Y及 V - 5 2 C r - 1 ． 8 Y合金 ，研究结果表 明钇可与钒合金中的间隙氧反应从而有效脱除基体中 固溶的氧原子 。 本研究采用粉末冶金法，利用真空烧结及热等静 压致密化处理制备名义成分为 V - 5 C r - 5 T i 、V - 5 C r - 5 T i ． 0 ． 5 Y、V - 5 C r - 5 T i ． 1 Y 和 V - 5 C r - 5 T i 一 2 Y 合金，通过添 加 稀土元素钇，夺取钒合金基体中的固溶氧形成稀土氧 收稿 日期2 0 1 4 0 4 0 4 ；修订 日期2 0 1 4 0 6 ． 3 0 通讯作者李强，高级工程师。电话0 8 1 6 - 3 6 2 6 9 9 0 ；E - ma i l mc c h e n g l i a n g 1 2 6 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 0卷第 l 亮稀 L 索钇对粉末冶金制备 V ． 5 C r ． 5 T i 合会微 州纵的影响 1 5 化物 ，实现 V - 5 ％C r - 5 ％T i 合 会的净化和品粒细化 ，以 期为 V - 5 C r 5 T i 实际工程应用提供 验 参考。 1 试验 1 ． 1 样 品制备 以纯 v、C r 、T i 、Y 粉末 为原料，规格及成分如 表 1 所列。 手套箱。 I I 对原料粉末进行筛分，采用行 星式球磨机 制备混合粉料 ，球磨时问 4 h ，转速 2 6 0 r ／ mi n ，V、C r 、T i 、Y粉末 的质量 分数分别为 9 0 5 5 0 、 8 9 ． 5 5 5 0 ． 5 、8 9 5 5 1 和 8 8 5 5 2 ，这些粉 术分别用于 样品 A、B、c，D的制备 。混合粉 料在 于套箱 中装入 软膜 除气 ， 在汕冷等静压机 内于 2 0 0 MP a 下冷压 8 mi n 成形 ；然 后将 冷门 坯在真空烧结炉 中加热 至 1 5 0 0℃ 烧结； 烧结后的样品在热等静 机内进行致密化处理， 热等静 温度为 1 2 5 0℃，压力为 1 3 5 5 MP a 。实验 合金 的化学成分分析结果如表 2 所 列。 表 1 原料规格 及成 分 Tabl e 1 Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f powde r s 表 2 同钇含量钒合会的化学成分 Ta bl e 2 Che mi c a l c o m p os i t i o n of va n a di um a l l oy s wi t h di f f e r e nt y t t r i u m c o nt e nt s 1 ． 2 性能表征 采 用排水法在精度 为 0 ． 0 l g的 T G 3 2 0电了天平 上 测量样 惭度 。利 德 奥林 巴斯 G C 7 l金十 I I 微镜 和 K Y K Y - E M3 2 0 0扫描 电镜分析合金微观彤 貌；采』 { ] X’ P e r t P r o XR D、 S y s t e m S i x Ns s 3 0 0， E D S分析相 组成和 成分。 2 结果与讨论 2 ． 1 钇元素对烧结态V - 5 Cr - 5 T i 合金显微组织的影响 图 l为不 同钇含量烧结态 W - 5 C r 5 T i 合金n 勺 金相 照片，从图 1 a 可以看出，经 1 5 0 0℃／ 2 ． 5 h烧结后 ， 未添 加钇的 V - 5 C r ． 5 T i 合金 { 微组 织 要 I ⋯丫 I ． 一 固溶 体 、 条状第 二 棚 以及孔 隙组成 ，品粒 r 均尺 、 r 小于 4 0 p m，密度为 5 ． 7 8 e C c m 。添力 『 】 钇元素后 ，钒合金显 微组织主要 由h t J 溶体 区、晶界和 品粒 内部析⋯第 二相 颗粒 以及孔隙组成，晶粒组织绌小，f [ 1 午 【 { 埘／ 1 均匀， 尺寸范 围为 1 0 ～ 4 0 m。 随钇含量增加 ，析 ⋯的第 二相 颗粒数量随之增加 ，这 主要 是 由于钇易 与饥合会基体 中的氧 、碳等 杂质元 素发牛反应，钇含最增加 ，成核 数也随之增 多。含钇 0 ． 5 ％、1 ％、2 ％烧结样实际密度 测试结果分别 为 5 ． 4 4 g ／ c m 、5 ．4 1 g ／ c m 、5 ． 1 5 g ／ c m ， 相对密度分别 为 8 5 ％、8 9 ． 9 ％、9 1 ． 7 ％。农 【 1』 J 埘密度 随钇含量增加 提 高。这 町能 t i 合金 l l l I及附 的气体原 子与钇发生反J 从 而填充孔 隙有关。 2 ． 2 钇元素对热等静压态 V - 5 C r - 5 T i 合金显微组织的 影 响 图 2为不同钇 含量热等静压态 V - 5 C r 一 5 T i 合金 的 金相照 片。烧 结样品经 1 2 5 0 c／ 1 3 5 5 MP a ／ 2 ． 5 h热 等静压 致密化处 后 ，由图 2 a 叮以看 出，未添 加钇 的 V - 5 C r - 5 T i 金致密化效果显著 ，E L B a 荩 小消除， 显微组织主要f L l 吲溶体区及条状第- - H 组成，I IllJ i 粒尺 寸略有长大， 卜 均 寸约为 6 0 m， 密度为 6 ． 0 5 g ／ c m ， 相对 密度在 9 9 ． 8 ％以上 。添加钇元素 ，饥 合金显微 组织 细化，尺寸范 闸为 1 0 ～ 8 0 p m，H ． 部 玑I ＼ 粒 细 化 区，细化区t 粒平均尺寸为 1 5 p m， 品 和品粒 内部有第二相 颗粒析出 ，如 图 2 b ～ d 所 ， J 。添 加钇 后合金的 品粒细化主要 与分布 j 品界处的第 牛 1 】 颗粒 有关 ，通过 降低 品界能，减 小品粒长 人的驱动力，阻 止 晶粒进一步 大 。随钇含量 增加，析 } } I 第 一 柑 i 颗粒 数量显著增加 ，原因与烧 结态 析 【 { 【 第 棚数 } } } 变化相 同。但不 同钇 馘 的样 品密度 并无麓别，均 为 6 ． 0 5 g ／ c m ，耩 本达到伞敛密。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金材料科学 j 1 税 图 1 烧结态 卜 不同钇含量 的 V - 5 C r - 5 T i 合金 的金相照片 Fi g． 1 Me t a l l o gr a p hi c mi c r os t r uc t ur e s of s i n t e r e d v a n ad i u m al l o ys wi t h di f f e r e nt yt t r i um C OI l t e nt s a 一0 ％ b 一 0 ． 5 ％； c 一 1 ％； d 一2 ％ 图 2 热等静压态下不同钇含 的钒合金金相照片 F i g 2 M e t a l l o g r a p h i c mi c r o s t r u c t u r e s o f h o t i s o s t a t i c p r e s s e d v a n a d i u m a l l o y s wi t h d i f f e r e n t y t t r i u m c o n t e n t s a ～ 0 ％； b 一 0 ． 5 ％； c 一 1 ％； d 一2 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 0卷第 1 期 程亮稀土元素钇对粉末冶金制各 V． 5 C r ． 5 T i 合金微观组织的影响 1 7 2 - 3 钇元素对第 二相的影响 在 真空烧结和热等静压制 备的 V． 5 C r ． 5 T i 合金 中 都 能观 察到这种粗大 的条状第 二 相 图 l a 、图 2 a 、 图 3 a ， 长约 1 0 g m。 根据文献 [ 1 O 一 1 3 ] 相关报道可 知， 该第 一相为 T i ． C O N 相 。在粉 末冶金制备钒合金过程 中， 由于对钒合金性能有较大 影响的氧 、碳等杂质 元 素 的含量较难 控制 ，冈而较 易形成第 二相 。通过添加 微 量 钇 ， 可 有 效 改 善 钒 合 金 显 微 组 织 结 构 ，如 图 3 b ～ d 所示 。显微照片表 明添加稀土 元素钇 后 ， 这种 富钛条状 第一 相淌火 。这主要 是 由于钇较钛 、钒 、铬 活泼 ，对氧 、碳等杂质更具有化 学亲和力 ，在粉末冶 金真 空烧 结或热等静 处理过程 中 与这 杂质反应而 形成 富钇 相颗 粒析 ⋯。 2 ． 4 富钇相在 V - 5 C r ． 5 T i 合金 中的分布 图 4所示为 钇含 量钒 合金试样 的 S E M 图像 及 E D S图谱 ，町以看 } l J 含钇钒 合金均有富钇颗粒析 出，分 布于品界和 品粒 内部 ，且以晶粒 内部为主 ，但 合金基 体中并没彳 丁 探测到钇 。这足 由f在粉末冶金制 备过程中，真窄烧结和热等静 温度均在合金液相线 以下 ，钇原 了 固态 卜 相对 液念扩散较为缓慢 ，与其 他合金元素 反应 时，大部分析 m的富钇第二相来不及 在 晶界析 出， 而合金 化过程 【 } | 富钇 第二相颗粒土要 在 晶粒 内部析 出。由图 4可 以吞 出随钇含量增加 ， 析 出的富钇第 二 相颗粒尺 寸无 明 变 化， 约为几微米 ， 为不规NJ L 何形状 。析 出的富钇 第 一 相通 常伴宵 O 、 C、 V、 T i 等元 素析 出， 这 丰要足 山于稀土元素钇易 f 与 O、C形成 Y 2 O 、Y C等细小的颗粒化合物 ，与 V， T i 等也能有少 固溶 。 3 结论 1 1利用粉 末冶 金真 空烧结 及热等 静压 致密化 处 理制备了不 含量的 V - 5 C r 5 T i合金棒材，合金相 对 密度大于 9 9 ． 8 ％。 2 添加稀 { 钇可 显著改善钒 合金微观组织结构 ， 有效消除粗人宿钛条状相 ， 并 叮起剑细化晶粒的作用 。 3 富钇第 二相 尺寸约为 3 I x m，分布于晶粒 内部 和 晶界处 ，月． 以晶粒 内部 为 。 图 3 热等 静 态 下不同钇含 V - 5 C r - 5 T i 合金 S E M 形貌 F i g ． 3 S E M mo r p h o l o g i e s o f h o t i s o s t a t i c p r e s s e d v a n a d i u m a l l o y s wi t h d i f f e 。e n t y t t r i u m c o n t e n t s ma s s f r a c t i o n ， ％ a 一0 ％； b 一0 ． 5 ％； c 一 l ％； d 一 2 ‰ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金材料科学 j 1 2 0 1 5 年 2月 6 ] En e r g y ／ k e V En e r gy ／ ke V 图 4 不 同钇含量钒合金 S E M 形貌及 含钇第 _相和合金基体 E DS能谱 F i g ． 4 S EM mo r p h o l o g i e s o f h o t i s o s t a t i c p r e s s e d v a n a d i u m a l l o y s a n d E DS s p e c t r u m o f s e c o n d p h a s e a n d v a n a d i u m ma t r i x REFERENCES M UROGA T NAGAS AKAT T， ABE K， e t a 1 ． Va n a d i u m a l l o y s o v e r v i e w a n d r e c e n t r e s u l t s[ J 1 _ J o u r n a l o f Nu c l e a r Ma t e ri a l s ， 2 0 0 2， 3 07 ／ 3 1 1 5 4 7 55 4． S HI KOV A K，CHEM OV V M P OTAP ENK0 M M e t a I ． De v e lop me n t of p r o du c t i o n p r o c e s s a nd s tud y o f l o w a c t i v i ty V一 4 - 5 1 ％T i 一 4 - 5 ％Cr s t r u c t u r a l a l lo y s f o r t h e r mo n u c l e a r r e a c t o r s[ J 1 l Me t a l S c ie n c e a n d He a t T r e a t me n t ， 2 0 0 4 ． 4 6 一 1 2 CHE N J M ， CHEM OV V M ， KURT Z R J ， e t a 1 ． Ove r v i e w of t h e v a n a d i u m a l l o y r e s e a r c h e s for f u s i o n r e a c t o r s[ J J ． J o u r n a l o f Nu c l e a rM a t e r i a l s 。 2 01 1 ， 41 7 28 9 ～2 9 4 ． 曾 儿浩，宋江峰． 元 Z r C r V 吸气化合物粉末 的制备 和表征 ⋯粉末冶金 材料科 学 lI j 工程， 2 0 1 l ， l 6 4 6 3 0 6 3 4 ． ZE NG F a n h a o ， S ONG J i a n g - f e n g．P r e p a r a t i o n a n d c h a r a c t e ri z a t i o n o f t e r n a r y Z r C r V g e t t e r i n g c o mp u n d p o wd e r 【 J 】 ． M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e rin g o fP o wd e r M e t a l l u r g y ，2 01 1 ， 1 6 【 4 1 6 3 0 6 3 4 ． 李m ，罗 超， 志钢，等．真 窄 自耗电弧重熔 V一 4 C r - 4 T i 合 的 微 观组 织 结 构 ．中 国有色 金属 学 报，2 0 0 8 ，8 5 8 0 5 -81 1 ． L1 Yu - f e i ， LUO Ch a o， W ANG Zh i ga n g ， e t a 1 ． M i c r o s t r uc t u r e o f V_4 Cr -4 Ti a l l o y f a b r i c a t e d b y v a c u u m a r c r e me lt i n g c o n s u ma b l e e l e c t r o d e[ J ] ． T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 8 ， 8 f 5 1 8 05 81 1 ． TYUM ENTS EV A N，KOROTAEV A D， PI NZHI N Y P．e t a 1 ． Ef f e c t of t h e mo d e s o f t h e r mo me c h a ni c a l t r e a t me nt o n t h e f o rm a t i o n o f t h e mu l t i p h a s e a n d g r a i n s t r u c tur e o f V．．4 Ti ．4 Cr a l l o y s⋯J o u r n a l o f Nu c l e a r Ma t e ri a l s ，2 0 0 4 ，3 2 9 ／ 3 3 3 4 2 9 4 3 3 KOBAYASHI S ，TS URUOKA Y，NAKA I K．e t a 1 ．E r i e c t o f n e u t r o n i r r a di a t i o n o n t h e mi c r o s t ru c t u r e a n d ha r d n e s s i n p a r t i c l e d i s p e r s e d u l tr a fi n e g r a i n e d V Y a l l o y s⋯． J o u r n a l o f Nu c l e a r M a t e r i a l s ， 2 0 0 4 、 3 2 9 ／ 33 3 4 47 4 5 1 ． [ 8 】 OD A S ，KUR 1 S HI T A H，T S U RU OKA Y．e t a l Hi g h t e mp e r a tur e s t r e n g t h o f fin e g r a i n e d ，pa r t i c l e d i s pe r s e d V f 1 ． 7 2 ． 4 wt ％ Y a l l o y s wi t h d i f f e r e n t g r a i n s i z e s a n d p a r t i c l e d e n s i t i e s[ J 】 _ J o u r n a l o f Nu c l e a r Ma t e ri a l s ， 2 0 0 4 ， 3 2 9 ／ 3 3 3 4 6 2 4 6 6 [ 9 1 KUwAB AR A T ， K URI S HI T A H， H As E GAwA M． De v e l o p m e n t o f a n u l t r a - fin e g r a i n e d V- 1 ． 7 m a s s ％Y a l l o y d i s pe r s e d wi t h y t t r i u m c o mp o u n d s ha y i n g s u p e rio r d u c t i l i t y a n d h i g h s t r e n g t h【 J J ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 0 0 6 ， 41 7 1 6 - 2 3 【 1 0 】 K URI S HI T A H， KUWAB AR A T ， HAS E GA WA M． De v e l o p me n t o f fin e g r a i n e d V一 2 8 Cr 一 2．3 Y a n d V一 5 2Cr 一 1 ． 8 Y a l lo y s wi t h s u p e r i o r me c h a n i c a l p r o p e r t i e s[ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e rin g A， 2 0 0 6 ， 4 3 3 3 2 3 8 ． [ 1 1 ] 黄姝列，周丹晨，李昌安，等．退火处理对 V一 5 C r - 5 T i合金显 微组织和硬度的影响[ J 1 ． 材 料工 程， 2 0 1 1 ， 3 3 2 3 5 ． HUANG S h u k e 、 ZHOU Da n c h e n ，L 1 Cha n g a n， e t a 1 ． Ef f e c t o f a n ne a l i n g o n t h e mi c r o s t ru c t ur e a n d h a r d n e s s o f V--5 Cr ． 5 Ti a l l o y ⋯． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 ， 3 3 2 3 5 ． 【 1 2 ] C HUN G H M， NOWI C KI L J ， S MI T H D L． I rra d i a t i o n i n d u c e d p r e c i p i t a t e s i n v a n a di u m a l l o ys c o n t a i n i n g t i t a n i u m ，DOE ／ ER- 0 3 1 3 ／ 1 1[ R ] ． F u s i o n r e a c t o r ma t e ri a l s s e mi a n n u a l p r o g r e s s r e p o r t f 0 r t h e p e r i o d e n d i n g s e p t e mb e r 3 0．1 9 9 1 ．USAOa k Ri d g e Na t ion a l L a b o r a t o r y ，1 9 9 2 21 5 -2 2 6 ． [ 1 3 】 S K AI K，S AT OU M，F UJ I WAR A M．e t a 1 ．Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d mi c r o s t r u c tur e s o f h i g h c h r o mi um V Cr Ti t y pe a l l o y s⋯． J o u rna l o f Nu c l e a r Ma t e r i a l s ，2 0 0 4 ，3 2 9 ／ 3 3 3 4 5 7 4 61 编辑高海燕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m