稀土元素钇对粉末冶金制备V-5Cr-5Ti合金微观组织的影响

程 亮，李 强，董鲜峰，李启寿，彭丽霞



稀土元素钇对粉末冶金制备V-5Cr-5Ti合金微观组织的影响

程 亮1，李 强1，董鲜峰1，李启寿1，彭丽霞2

(1. 中国工程物理研究院，绵阳621900；2. 表面物理与化学重点实验室，绵阳621907)

采用粉末冶金方法，制备含不同质量分数钇(0%，0.5%，1%，2%)的V-5Cr-5Ti合金。利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)等分析稀土元素钇对V-5Cr-5Ti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 μm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。

稀土钇；V-5Cr-5Ti合金；富钇相；微观组织；粉末冶金

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) Cr-(4～5)Ti，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]，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[5−6]和粉末冶金法[7−10]，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[9]。KUWABRA等[9−10]通过机械合金化(MA)和热等静压法(HIP)制备了V- 1.7Y、V-28Cr-2.3Y及V-52Cr-1.8Y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-5Cr-5Ti、V-5Cr-5Ti- 0.5Y、V-5Cr-5Ti-1Y和V-5Cr-5Ti-2Y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化物，实现V-5%Cr-5%Ti合金的净化和晶粒细化，以期为V-5Cr-5Ti实际工程应用提供实验参考。

1 试验

以纯V、Cr、Ti、Y粉末为原料，规格及成分如表1所列。在手套箱中对原料粉末进行筛分，采用行星式球磨机制备混合粉料，球磨时间4 h，转速260 r/ min，V、Cr、Ti、Y粉末的质量分数分别为90:5:5:0、89.5:5:5:0.5、89:5:5:1和88:5:5:2，这些粉末分别用于样品A、B、C，D的制备。混合粉料在手套箱中装入软膜除气，在油冷等静压机内于200 MPa下冷压8 min成形；然后将冷压坯在真空烧结炉中加热至1 500 ℃烧结；烧结后的样品在热等静压机内进行致密化处理，热等静压温度为1 250 ℃，压力为(135±5) MPa。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

表2 不同钇含量钒合金的化学成分

1.2 性能表征

采用排水法在精度为0.01 g的TG320电子天平上测量样品密度。利用德国奥林巴斯GC71金相显微镜和KYKY-EM3200扫描电镜分析合金微观形貌；采用X’Pert Pro型XRD、System Six Nss300型EDS分析相组成和成分。

2 结果与讨论

2.1 钇元素对烧结态V-5Cr-5Ti合金显微组织的影响

图1为不同钇含量烧结态V-5Cr-5Ti合金的金相照片，从图1(a)可以看出，经1 500 ℃/2.5 h烧结后，未添加钇的V-5Cr-5Ti合金显微组织主要由单一固溶体区、条状第二相以及孔隙组成，晶粒平均尺寸小于40 μm，密度为5.78 g/cm3。添加钇元素后，钒合金显微组织主要由固溶体区、晶界和晶粒内部析出第二相颗粒以及孔隙组成，晶粒组织细小，但相对不均匀，尺寸范围为10~40 μm。随钇含量增加，析出的第二相颗粒数量随之增加，这主要是由于钇易与钒合金基体中的氧、碳等杂质元素发生反应，钇含量增加，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5.44 g/cm3、5.41 g/cm3、5.15 g/cm3，相对密度分别为85%、89.9%、91.7%。表明相对密度随钇含量增加而提高。这可能与合金中吸附的气体原子与钇发生反应从而填充孔隙有关。

2.2 钇元素对热等静压态V-5Cr-5Ti合金显微组织的影响

图2为不同钇含量热等静压态V-5Cr-5Ti合金的金相照片。烧结样品经1 250 ℃/(135±5) MPa/2.5 h热等静压致密化处理后，由图2(a)可以看出，未添加钇的V-5Cr-5Ti合金致密化效果显著，孔隙基本消除，显微组织主要由固溶体区及条状第二相组成，晶粒尺寸略有长大，平均尺寸约为60 μm，密度为6.05 g/cm3，相对密度在99.8%以上。添加钇元素后，钒合金显微组织细化，尺寸范围为10~80 μm，且局部出现晶粒细化区，细化区晶粒平均尺寸为15 μm，在晶界和晶粒内部有第二相颗粒析出，如图2(b)~(d)所示。添加钇后合金的晶粒细化主要与分布于晶界处的第二相颗粒有关，通过降低晶界能，减小晶粒长大的驱动力，阻止晶粒进一步长大。随钇含量增加，析出第二相颗粒数量显著增加，原因与烧结态析出第二相数量变化相同。但不同钇含量的样品密度并无差别，均为6.05 g/ cm3，基本达到全致密。

图1 烧结态下不同钇含量的V-5Cr-5Ti合金的金相照片

图2 热等静压态下不同钇含量的钒合金金相照片

2.3 钇元素对第二相的影响

按照配比称取聚氨酯丙烯酸酯(B-286c)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮(907)于100 mL烧杯中，搅拌均匀得到透明的淡黄色粘稠液体，即所需的自由基型紫外光固化材料，对其编号并置于暗处贮存。

在真空烧结和热等静压制备的V-5Cr-5Ti合金中都能观察到这种粗大的条状第二相(图1(a)、图2(a)、图3(a))，长约10 μm。根据文献[10−13]相关报道可知，该第二相为Ti-CON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，因而较易形成第二相。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，这种富钛条状第二相消失。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压处理过程中与这些杂质反应而形成富钇相颗粒析出。

2.4 富钇相在V-5Cr-5Ti合金中的分布

图4所示为不同钇含量钒合金试样的SEM图像及EDS图谱，可以看出：含钇钒合金均有富钇颗粒析出，分布于晶界和晶粒内部，且以晶粒内部为主，但合金基体中并没有探测到钇。这是由于在粉末冶金制备过程中，真空烧结和热等静压温度均在合金液相线以下，钇原子在固态下相对液态扩散较为缓慢，与其他合金元素反应时，大部分析出的富钇第二相来不及在晶界析出，因而合金化过程中富钇第二相颗粒主要在晶粒内部析出。由图4可以看出：随钇含量增加，析出的富钇第二相颗粒尺寸无明显变化，约为几微米，为不规则几何形状。析出的富钇第二相通常伴有O、C、V、Ti等元素析出，这主要是由于稀土元素钇易于与O、C形成Y2O3、YC等细小的颗粒化合物，与V，Ti等也能有少量固溶。

3 结论

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同钇含量的V-5Cr-5Ti合金棒材，合金相对密度大于99.8%。

2) 添加稀土钇可显著改善钒合金微观组织结构，有效消除粗大富钛条状相，并可起到细化晶粒的作用。

3) 富钇第二相尺寸约为3 μm，分布于晶粒内部和晶界处，且以晶粒内部为主。

图3 热等静压态下不同钇含量V-5Cr-5Ti合金SEM形貌

图4 不同钇含量钒合金SEM形貌及含钇第二相和合金基体EDS能谱

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(编辑 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

李强，高级工程师。电话：0816-3626990；E-mail: mcchengliang@126.com