李建兵，倪航星，李曉東，麻建軍

（中色（寧夏）東方集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

隨著人類對能源需求的不斷增加，以及煤、石油、天然氣等能源儲量的日益減少，太陽能、風能、裂變能、聚變能等清潔能源會被大規(guī)模開發(fā)利用。其中聚變能以其安全可靠、環(huán)境友好成為未來最有前景的新能源［1］。

聚變堆第一壁所用結構材料的質量成為制約聚變堆是否可行的重要條件。釩合金以優(yōu)良的低活化特性、耐高溫強度、耐液體金屬腐蝕、抗中子輻照腫脹等優(yōu)點脫穎而出［2-5］，成為聚變堆第一壁設計中第一候選材料［6］。國外從20世紀60年代開始研究V-Cr-Ti三元合金材料，日本和美國先后研制出200 kg和1 500 kg的V-4Cr-4Ti合金鑄錠。我國于20世紀90年代由西南物理研究所采用電子束熔煉制備出30 kg V-4Cr-4Ti合金鑄錠。

V-Cr-Ti合金的微觀組織和性能與合金的制備方法密切相關，不同的方法制備出的V-Cr-Ti合金微觀組織、雜質含量、成分均勻性有較大差別。VCr-Ti合金制備方法有多種，傳統(tǒng)的方法有真空自耗電弧熔煉、懸浮熔煉、電子束熔煉，其他的方法還有熔鹽電脫氧法、粉末冶金制備法、激光熔化沉積法等。

1 合金成分設計

為了改善釩合金的綜合性能，各國學者對VCr-Ti合金體系的溶質元素的成分調整進行了研究。研究結果［7］表明：（1）V-Cr-Ti合金中Cr元素的作用是增強合金的強度，合金強度隨Cr含量的增加而增加；（2）Cr元素還可以提高V-Cr-Ti合金的抗氧化性，但Cr含量的增加會導致合金塑性的降低和抗中子輻照性能的下降；（3）V-Cr-Ti合金中添加Ti元素，能提高合金耐液態(tài)金屬腐蝕，加強輻照硬化效應，Ti元素添加過多會導致合金塑性下降；（4）Cr和Ti元素共同決定著V-Cr-Ti合金抗中子輻照腫脹性能，其中Ti元素抑制而Cr元素促進合金的腫脹。試驗結果顯示，Ti元素的含量大于3%，Cr元素的含量小于15%時，V-Cr-Ti合金材料抗中子輻照腫脹性能最佳。

目前，V-4Cr-4Ti合金和V-5Cr-5Ti合金被認為是多種V-Cr-Ti合金中綜合性能最好的釩合金［8］，成為國內(nèi)外專家學者重點研究的對象。

2 V-Cr-Ti合金的制備方法

2.1 真空自耗電弧重熔（VAR）

真空自耗電弧熔煉法是目前熔煉V-Cr-Ti合金的主要方法。本方法主要采用電解枝晶釩、99.7%的海綿鈦、99.9%的鉻片為原料，混合均勻后利用冷等靜壓（CIP）將原料壓制成棒料，再經(jīng)過真空除氣作業(yè)，在真空自耗電弧爐內(nèi)焊接成一次自耗電極，并進行一次真空自耗電弧熔煉。一次熔煉結束后相同工藝再二次熔煉得到V-5Cr-5Ti合金鑄錠［9］，表1是合金鑄錠不同部位化學成分。

表1 真空自耗電弧熔煉V-5Cr-5Ti合金的化學成分

本工藝的特點是制備出的合金成分均勻，特別適合規(guī)模化生產(chǎn)。利用真空自耗電弧熔煉技術VCr-Ti合金已經(jīng)在美國（US832665，US T78）、日本（NIFS-HEAT-1、NIFS-HEAT-2）和俄羅斯（Russia VX78）可以大規(guī)模（鑄錠大于100 kg）生產(chǎn)，表2為各國制備的V-Cr-Ti合金的化學成分。

表2 各個牌號V-Cr-Ti合金的化學成分%

2.2 磁懸浮熔煉法

真空磁懸浮熔煉是在真空冶金和電磁感應加熱的基礎上，利用磁力線對金屬熔體表面感應渦流的電磁交互作用，獲得與磁力線和渦流相垂直的電磁力，對金屬液產(chǎn)生懸浮作用。主要優(yōu)點是排除了坩堝材料對熔池的污染，能制備純度特別高，成分非常均勻和精確的材料。諶繼明等［10］采用高純金屬釩（V-2）、純度大于99.5%的海綿鈦和金屬鉻為原料，將原料混合均勻后壓制成圓錠，放入磁懸浮熔煉爐中，在氬氣保護氛圍中熔煉，防止熔煉過程中合金表面的氧化。每個合金錠子需要經(jīng)過3次熔煉，確保合金成分的均勻，熔煉出的V-4Cr-4Ti合金化

學成分見表3。磁懸浮熔煉法的特點是合金成分精確和均勻，杜絕了坩堝材料對合金的污染，不足之處是不適合規(guī)?；a(chǎn)。

表3 不同方法熔煉出的V-Cr-Ti合金化學成分%

2.3 電子束熔煉法

北京有色金屬研究總院在2000年左右就開始采用電子束法研究制備V-Cr-Ti合金，李增徳等［11］采用樹枝狀一級電解釩（99.95%），海綿狀高純鈦（99.9%）和片狀電解高純金屬鉻（99.9%）為原料，利用電子束爐熔煉出V-5Cr-5Ti合金。熔煉出的V-5Cr-5Ti合金化學成分見表3。電子束熔煉法的特點是，熔煉過程中由于Cr元素的飽和蒸汽壓與其它合金元素相比較高，熔煉過程中會有部分Cr揮發(fā)而損失，造成合金成分的不均勻。

2.4 熔鹽電脫氧法

熔鹽電脫氧法是一種制備V-Cr-Ti合金的新方法，在熔鹽CaCl2-NaCl中將V2O3-Cr2O3-TiO2直接電化學還原得到V-4Cr-4Ti合金。隨電解電壓的升高電化學還原速率增加，同時熔鹽中的副反應也隨之增多?；旌涎趸镞€原時，Cr首先被還原成金屬，釩鈦氧化物形成鈣鈦礦化及相應的低價氧化物，最后還原成金屬V和Ti與Cr形成VCrTi合金，具體化學成分見表3。該方法流程短、成本低、能耗低、綠色環(huán)保，為V-4Cr-4Ti合金的制備開辟了新途徑。

2.5 粉末冶金法

粉末冶金工藝是近年來興起的一種制備工藝，本工藝制備出的V-Cr-Ti合金化學組分精確、微觀組織細化、性能穩(wěn)定，成為研究的熱點。本方法主要是利用金屬釩和鈦特殊的吸氫特性，采用氫化法制備出氫化釩、氫化鈦粉末，再與鉻粉按比例配料、壓制、燒結、熱鍛處理等，得到V-5Cr-5Ti合金［12］。合金成分均勻，相對密度達99.8%以上，相組成為單一BCC相釩基固溶體，其化學成分見表3。粉末冶金法的優(yōu)點是合金成分可以調控，材料的利用率高。不足之處是合金中雜質元素含量不易控制，尤其對釩合金力學性能有較大影響的C、O等元素的控制較難。

2.6 激光熔化沉積法

激光熔化沉積技術是利用高能量密度激光束對金屬原材料（粉／絲）進行多層熔覆以實現(xiàn)工件逐層熔化／快速凝固堆積成型，可實現(xiàn)全致密、高性能、大型復雜金屬結構件的“近凈成型”。白林瑞［13］等采用等離子體旋轉電極制備的V-5Cr-5Ti預合金粉末為原料，粉末冶金制備經(jīng)過冷軋?zhí)幚淼南嗤煞值腣-5Cr-5Ti合金為基體材料，在激光熔化沉積制造系統(tǒng)上制備V-5Cr-5Ti合金。在沉積過程中，沉積制造系統(tǒng)中O含量小于50μg／g，使用前合金粉末在120℃烘干2 h，提高粉的流動性。沉積過程激光功率1 200 W、掃描速度400 mm／min、送粉量0.3 r／min，制備出了高度致密的V-5Cr-5Ti合金，具體化學成分見表4。

表4 激光熔化沉積法制備的V-5Cr-5Ti合金化學成分

3 結 語

由于V-Cr-Ti合金具有良好的可加工性能、高溫性能、抗輻照性能，以及與液態(tài)金屬良好的相容性，成為聚變反應堆第一壁／包層結構的重要候選材料。V-Cr-Ti合金的制備方法中，電子束熔煉會導致大量的元素Cr的損耗以及宏觀的不均勻性，磁懸浮熔煉對成分均勻性及雜質控制較好，但其制備能力不足，只適合實驗室或研究機構制備樣品。VAR經(jīng)過多次重熔后，能改善合金的成分偏析，是目前國內(nèi)外普遍采用的釩合金制備技術。其他的制備方法中，粉末冶金法和激光熔化沉積法由于工藝復雜，合金中雜質成分不易控制，且生產(chǎn)成本偏高，目前還處于研究階段。未來V-Cr-Ti合金的制備主要向低雜質高均勻性的大型鑄錠（500 kg或1 000 kg）方向發(fā)展。