一种核反应堆压力容器部件用合金材料及其制备方法与流程

1.本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种核反应堆压力容器部件用合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.一回路管道是热中子堆核电站内连接核反应堆容器、蒸汽发生器、冷却剂泵以及稳压器等的关键压力容器部件，需要承受堆内中子链式反应释放核能所转化的高温高压流体及热能带来的苛刻环境。例如轻水堆一回路管道内温度可达350℃，压力超过16 mpa，而快中子反应堆一回路管道内温度可达到550℃。此外，一回路管道材料还要遭受高能高通量中子所带来的辐照损伤及材料活化，与冷却剂相接触诱发的腐蚀等综合性考验。核电站反应堆关键部件材料的使用寿命要求超过40年并且服役期内无返修及更换，因此研发出低活化、抗辐照、耐腐蚀且具有优异加工性能和力学性能的一回路结构材料是保证核电站设备安全运行的基本前提。
3.在堆内苛刻的高温高压、中子辐照及强腐蚀物理场的耦合作用下，目前广泛使用的一回路结构材料主要是奥氏体或双相不锈钢和镍基合金两类。由于这两类合金材料主要成分含有fe、ni、mo、co、al等元素，受到中子辐照后会产生半衰期可长达几万年甚至几十万年之久的长寿命放射性核素。这对于服役结束的核电站废物处理带来了非常严峻的挑战，处理成本极高，而且存在核扩散风险。奥氏体不锈钢在长期中子辐照下易发生明显的肿胀及氦脆现象，同时由于辐致偏析及碳化物析出会诱发奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀，并且在水质因素及应力因素的影响下会发生应力腐蚀开裂现象，部位主要集中于焊接和热处理产生敏化组织区域。而镍基合金加工性能较差，焊接处易出现裂纹从而在高温高压环境下发生应力腐蚀开裂，严重制约着核反应堆运行的安全性和完整性。
4.随着第四代新型反应堆的快速发展，迫切要求核用压力容器部件新型结构材料具有低活化、抗辐照及耐腐蚀且兼顾优异的机械性能及高温蠕变性能，并掌握其制备工艺以确保合金材料的稳定性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种核反应堆压力容器部件用合金材料。该合金材料以ti为基体，以低活化的ta和v为主要的合金化元素，形成组织均匀且物相单一的近α钛合金，使得该合金材料具有优异的抗辐照肿胀性能、抗辐照脆化性能和耐腐蚀性能，并且兼顾了低活化及优异的力学性能、焊接性能和可加工性能。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种核反应堆压力容器部件用合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：ta 4.5%~6.5%，v 0.5%~2.8%，其余为不可避免的杂质元素和ti；所述不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c≤0.03%，h≤0.005%，o≤0.015%，n≤0.005%，所述合金材料的室温拉伸屈服强度大于400mpa，抗拉强度大于500mpa，断后伸长率大于28%，辐照肿胀率小于5%，在沸腾的质量
浓度为3.5%的 nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
7.本发明以ti为基体，以低活化ta、v为主要合金元素制备了核反应堆压力容器部件用合金材料，该合金材料中设定的质量百分数范围内的ta及v原子形成了置换型固溶体，ta及v原子以置换原子的形式置换了ti原子的位置，形成物相单一且组织均匀的近α钛合金，而且ti、ta与v原子尺寸之间存在较大的差异，合金材料局部产生明显的晶格畸变，进而增大了位错运动的阻力，产生固溶强化效果。同时，在热处理过程中因为发生相变进行时效强化，进一步提升了合金材料的强度；由于v的加入在不牺牲钛合金塑性的前提下提高了β-ti的固溶强度，还降低了脆性相的析出，而且在高温下具有良好的蠕变性能。因此，本发明具有双相临界成分的近α钛合金在核反应堆中子辐照环境下降低了辐照肿胀率，既继承了α单相钛合金优异的焊接性能和组织稳定性，又兼顾了（α+β）双相钛合金良好的热加工特性和较高的比强度，并且由于添加了少量β相稳定元素还进一步提高了合金的抗氢脆特性；由于ti元素及ta元素在水溶液及盐溶液中表面易发生钝化，表面将自发产生一层致密的纳米级氧化膜，有效隔绝了金属基体与液体介质之间的直接接触，从而显著提升了合金材料的耐蚀性。另外，本发明通过控制合金材料中的杂质元素，确保合金材料具有优异的低活化、耐腐蚀和可加工性能，提升了合金材料的力学性能和热稳定性，降低了材料生产成本并提高材料成材率。
8.上述的一种核反应堆压力容器部件用合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：ta 4.8%~6.2%，v 0.8%~2.0%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
9.另外，本发明还提供了一种制备如上述的核反应堆压力容器部件用合金材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料。
10.说述的方法，其特征在于，步骤一中所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%。本发明严格控制海绵钛和钒颗粒的质量，有效减少了合金材料中的杂质含量，确保了合金材料的低活化、耐腐蚀性能、力学性能和可加工性能。
11.上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛钽中间合金的成分为ti-xta，其中x代表ta元素的质量百分数，x=20%~50%，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照比例混合均匀，然后依次进行冷压成型、粉末冶金烧结、去氧化皮、清洗以及机加车屑；所述混合均匀的时间为1h~6h，所述冷压成型的压力为100mpa~220mpa，保压时间为3min~6min，所述粉末冶金烧结的温度为1100℃~1600℃，并在真空下烧结1h~3h。本发明通过将高熔点、高比重的合金元素组元钽粉与低熔点、低比重的合金元素组元钛粉按例混匀，通过冷压压制成合金坯料，然后在真空烧结炉中保温烧结，获得高均质的钛钽中间合金。
12.上述的方法，其特征在于，所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛
粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉。
13.上述的方法，其特征在于，步骤二中所述三火次锻造的工艺为：依次在900℃~1000℃、800℃~900℃以及700℃~800℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为40%~50%，每火次锻造前加热时间为d/2min，其中d是经机械加工后的钛合金铸锭的直径或厚度，单位为mm。本发明对步骤一制备的钛合金铸锭采用逐级降温的锻造工艺，先在（α+β）两相区进行两镦两拔后再到α单相区进行第三火次镦拔锻造，使钛合金中ti、ta和v元素及微观组织得到均匀分布，保证了钛合金组织的稳定性；同时，通过控制锻造过程中的温度、镦拔次数以及最大变形量，保证了合金材料变形塑性好、质量高以及变形抗力低，并具有最优的组织均匀性和力学性能；通过精确控制每火次锻造前加热时间，在烧透的前提下使得加热时间尽可能短，在保证锻件质量的前提下减小气体污染。
14.上述的方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的制度为：600℃~750℃下保温（30+d/2）min，其中d是锻造后的钛合金铸锭的直径或厚度，单位为mm，所述冷却的方式为空冷或者水冷。本发明通过控制热处理的温度进行退火处理，有效去除了锻造后合金中的残余应力，实现变形微观组织的动态再结晶，提高合金塑性及稳定组织；通过控制热处理的保温时间，充分保证各种规格合金材料的残余应力得以完全去除，并且确保变形组织的动态再结晶过程，使得材料局部短程元素偏析并发生长程扩散，保证了组织的均匀性，并获得细小等轴晶粒的再结晶组织，消除各向异性，全面提升合金材料的综合性能，使得合金材料有利于再加工。
15.本发明中所述反应堆辐照环境和相关测试均由80kev的氦离子常温辐照等效，辐照注量为1.0
×
10
15
ions/cm2～3.6
×
10
16
ions/cm2，对应的辐照损伤剂量为1.0dpa～10dpa；对辐照样品的另外一半用透明薄膜阻挡，辐照肿胀率的评价采用原子力显微镜对样品表面起伏变化进行测试，通过光镜在样品辐照与未辐照区域内寻找多条清晰可见的晶界，利用公式“肿胀率=（肿胀高度/辐照深度）
×
100%”计算得到辐照样品的辐照肿胀率，其中，辐照深度采用蒙特卡洛粒子输运srim程序进行计算。
16.本发明采用腐蚀速率来评价样品在核反应堆一回路服役介质环境下的腐蚀性能，样品在每周期的腐蚀速率按照“r=8.76
×
104×∆
w/(stρ)”进行计算，其中，r（mm/a）是腐蚀速率，
∆
w（g）是指本周期内样品腐蚀前重量减本周期腐蚀后重量，s（cm2）是样品的总面积，t（h）是本周期试验时间，ρ（g/cm3）是样品的密度。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明的合金材料以ti为基体，以低活化的ta和v为主要的合金化元素，形成组织均匀且物相单一的近α钛合金，使得该合金材料具有优异的抗辐照肿胀性能、抗辐照脆化性能和耐腐蚀性能，并且兼顾了低活化及优异的力学性能，同时还保留了α钛合金优良的焊接性能和可加工性能。
18.2、本发明的制备方法采用多火次锻造及热处理工艺，一方面保证了合金各组元成分及显微组织的均匀性，并提高了合金材料的综合力学性能；另一方面通过锻造过程中合金的变形量细化了合金材料的等轴晶组织，使得微观组织大量的界面成为辐照产生的缺陷的有效陷阱，从而大量吸收辐致缺陷（如点缺陷、位错或团簇等），显著提高了合金材料的抗辐照性能。
19.3、本发明采用钛钽中间合金为原料，有效解决了因较多合金元素和高密度高熔点
元素增加凝固过程中的偏析倾向而降低合金可铸性的难题，从而制备出的ti-ta-v系合金各组分化学成分均匀，没有出现元素偏析及不熔块等冶金缺陷。
20.4、本发明的钛钽中间合金制备工艺简单、成本低、生产组织便捷，大大提高了制备效率，适用于各种含高熔点、高比重组元的二元系或多元系钛合金铸锭的制备，并且可推广至诸如ti-ta、ti-ta-nb、ti-mo、ti-w、ti-hf、zr-ta、zr-hf、zr-w等存在密度及熔点悬殊的各类中间合金，应用价值较高。
21.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
22.图1是本发明实施例1制备的合金材料的xrd图。
23.图2是本发明实施例1制备的合金材料的扫描电镜背散射bse图谱。
24.图3是本发明实施例1制备的合金材料的eds能谱分析图。
25.图4是本发明实施例1制备的合金材料的ta元素分布图。
26.图5是本发明实施例1制备的合金材料的v元素分布图。
27.图6是本发明实施例1制备的合金材料的ti元素分布图。
28.图7是本发明实施例1制备的ti-ta中间合金ta元素分布图。
29.图8是本发明实施例1制备的ti-ta中间合金ti元素分布图。
30.图9是本发明实施例1制备的合金材料的腐蚀速率图。
具体实施方式
31.实施例1本实施例的合金材料由以下质量百分数的元素组成：ta 5.0%，v 1.0%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
32.本实施例的合金材料制备方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%；所述钛钽中间合金的成分为ti-40%ta，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照6：4的质量比例混合均匀3h，然后依次在180mpa压力下保压5min进行冷压成型，然后在1300℃下真空烧结2h进行粉末冶金烧结，随炉冷却后去除氧化皮、清洗并机加车屑，得到屑状的钛钽中间合金；所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；所述三火次锻造的工艺为：依次在1000℃、900℃以及800℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为50%，每火次锻造前加热时间为120min；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材
料；所述热处理的制度为：750℃下保温100min，所述冷却的方式为空冷。
33.经检测，本实施例的合金材料（ti-5%ta-1.0%v）中不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c=0.03%，h=0.0015%，o=0.009%，n=0.002%；合金材料的室温拉伸屈服强度为427mpa，抗拉强度为526mpa，断后伸长率为32%，辐照肿胀率为2.6%，在沸腾的质量浓度为3.5%的 nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
34.图1是本实施例制备的合金材料的xrd图，从图1可以看出，本实施例制备的低活化、抗辐照及耐腐蚀钛合金材料（ti-5%ta-1.0%v）由近α相组成，物相单一且组织均匀。
35.图2是本实施例制备的合金材料的扫描电镜背散射bse图谱，图3是本实施1制备的合金材料的eds能谱分析图，图4是本实施例制备的合金材料的ta元素分布图，图5是本实施例制备的合金材料的v元素分布图，图6是本实施1制备的合金材料的ti元素分布图，从图2~图6可以看出，本实施例的低活化、抗辐照及耐腐蚀合金材料（ti-5%ta-1.0%v）中ti、ta和v元素分布均匀，没有元素偏析及不熔块等冶金缺陷。
36.图7是本实施例制备的ti-ta中间合金ta元素分布图，图8是本实施例制备的ti-ta中间合金ti元素分布图，从图7~图8可以看出，该ti-ta中间合金中的ti和ta元素分布均匀，无偏聚和不熔块，说明利用该工艺制备的钛钽中间合金屑有效解决了高密度、高熔点ta元素与低密度、低熔点ti元素之间的均质化难题，通过中间合金有效降低了高熔点ta元素偏聚及不熔块等冶金缺陷。
37.图9是本实施例制备的合金材料的腐蚀速率图，从图9可以看出，本实施例制备的合金材料（ti-5%ta-1.0%v）在沸腾的nacl溶液中进行长时间浸泡，随着腐蚀时间的增加，该合金材料的腐蚀速率逐渐降低并且趋于稳定，在浸泡268h之后该合金材料的腐蚀速率仅有0.0012mm/a。说明本实施例制备的合金材料应用于核反应堆一回路管道服役环境中腐蚀性能优异。
38.对本实施例制备的合金材料的横向和纵向头、中、尾五点位置处ta及v的化学成分含量进行检测，结果如表1和表2所示。
39.从表1和表2可知，本实施例制备的合金材料中ta及v的化学成分含量分布均匀，偏析较小。
40.实施例2本实施例的合金材料由以下质量百分数的元素组成：ta 4.5%，v 0.5%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
41.本实施例的合金材料制备方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%；所述钛钽中间合金的成分为ti-20%ta，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照8：2的质量比例混合均匀1h，然后依次在100mpa压力下保压3min进行冷压成型，然后在1100℃下真空烧结1h进行粉末冶金烧结，随炉冷却后去除氧化皮、清洗并机加车屑，得到屑状的钛钽中间合金；所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；所述三火次锻造的工艺为：依次在950℃、850℃以及750℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为45%，每火次锻造前加热时间为120min；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料；所述热处理的制度为：700℃下保温100min，所述冷却的方式为水冷。
42.经检测，本实施例的合金材料（ti-4.5%ta-0.5%v）中不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c=0.004%，h=0.003%，o=0.008%，n=0.003%；合金材料的
室温拉伸屈服强度为410mpa，抗拉强度为514mpa，断后伸长率为29%，辐照肿胀率为2.8%，在沸腾的质量浓度为3.5%的nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
43.实施例3本实施例的合金材料由以下质量百分数的元素组成：ta 6.5%，v 2.8%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
44.本实施例的合金材料制备方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%；所述钛钽中间合金的成分为ti-50%ta，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照5：5的质量比例混合均匀6h，然后依次在220mpa压力下保压6min进行冷压成型，然后在1600℃下真空烧结3h进行粉末冶金烧结，随炉冷却后去除氧化皮、清洗并机加车屑，得到屑状的钛钽中间合金；所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；所述三火次锻造的工艺为：依次在900℃、800℃以及700℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为40%，每火次锻造前加热时间为120min；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料；所述热处理的制度为：600℃下保温100min，所述冷却的方式为空冷。
45.经检测，本实施例的合金材料（ti-6.5%ta-2.8%v）中不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c=0.0028%，h=0.005%，o=0.015%，n=0.005%；合金材料的室温拉伸屈服强度为500mpa，抗拉强度为600mpa，断后伸长率为35%，辐照肿胀率为2.0%，在沸腾的质量浓度为3.5%的nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
46.实施例4本实施例的合金材料由以下质量百分数的元素组成：ta 4.8%，v 0.8%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
47.本实施例的合金材料制备方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%；所述钛钽中间合金的成分为ti-40%ta，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照6：4的质量比例混合均匀3h，然后依次在220mpa压力下保压6min进行冷压成型，然后在1600℃下真空烧结3h进行粉末冶金烧结，随炉冷却后去除氧化皮、清洗并机加车屑，得到屑状的钛钽中间合金；所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉
为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；所述三火次锻造的工艺为：依次在900℃、800℃以及700℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为40%，每火次锻造前加热时间为120min；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料；所述热处理的制度为：600℃下保温100min，所述冷却的方式为空冷。
48.经检测，本实施例的合金材料（ti-4.8%ta-0.8%v）中不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c=0.003%，h=0.0045%，o=0.014%，n=0.004%；合金材料的室温拉伸屈服强度为420mpa，抗拉强度为520mpa，断后伸长率为32%，辐照肿胀率为2.0%，在沸腾的质量浓度为3.5%的nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
49.实施例5本实施例的合金材料由以下质量百分数的元素组成：ta 6.2%，v 2.0%，其余为不可避免的杂质元素和ti。
50.本实施例的合金材料制备方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%；所述钛钽中间合金的成分为ti-40%ta，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照6：4的质量比例混合均匀3h，然后依次在220mpa压力下保压6min进行冷压成型，然后在1400℃下真空烧结3h进行粉末冶金烧结，随炉冷却后去除氧化皮、清洗并机加车屑，得到屑状的钛钽中间合金；所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；所述三火次锻造的工艺为：依次在900℃、800℃以及700℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为40%，每火次锻造前加热时间为120min；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料；所述热处理的制度为：600℃下保温100min，所述冷却的方式为空冷。
51.经检测，本实施例的合金材料（ti-6.2%ta-2.0%v）中不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c=0.005%，h=0.003%，o=0.012%，n=0.002%；合金材料的室温拉伸屈服强度为500mpa，抗拉强度为600mpa，断后伸长率为35%，辐照肿胀率为1.8%，在沸腾的质量浓度为3.5%的nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。
52.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种核反应堆压力容器部件用合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：ta 4.5%~6.5%，v 0.5%~2.8%，其余为不可避免的杂质元素和ti；所述不可避免的杂质包括碳、氢、氧和氮，其中，杂质的质量百分数为：c≤0.03%，h≤0.005%，o≤0.015%，n≤0.005%，所述合金材料的室温拉伸屈服强度大于400mpa，抗拉强度大于500mpa，断后伸长率大于28%，辐照肿胀率小于5%，在沸腾的质量浓度为3.5%的 nacl溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。2.根据权利要求1所述的一种核反应堆压力容器部件用合金材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：ta 4.8%~6.2%，v 0.8%~2.0%，其余为不可避免的杂质元素和ti。3.一种制备如权利要求1或2中所述的核反应堆压力容器部件用合金材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混合均匀，并压制成电极块，然后将电极块进行真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；步骤二、将步骤一得到的钛合金铸锭依次进行切冒口、去氧化皮及倒角的机械加工，然后进行三火次锻造，得到锻造后的钛合金铸锭；步骤三、将步骤二中得到的锻造后的钛合金铸锭进行热处理，冷却后得到合金材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述海绵钛符合gb/t 2524-2010《海绵钛》的规定，且海绵钛中ti的质量含量不低于99.8%；所述钒颗粒符合gb/t 4310-2016《钒》的规定，且钒颗粒中v的质量含量不低于99.9%。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛钽中间合金的成分为ti-xta，其中x代表ta元素的质量百分数，x=20%~50%，钛钽中间合金的制备工艺为：将ti粉和ta粉按照比例混合均匀，然后依次进行冷压成型、粉末冶金烧结、去氧化皮、清洗以及机加车屑；所述混合均匀的时间为1h~6h，所述冷压成型的压力为100mpa~220mpa，保压时间为3min~6min，所述粉末冶金烧结的温度为1100℃~1600℃，并在真空下烧结1h~3h。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钛粉为符合ys/t 654-2018《钛粉》规定的工业级钛粉，所述钽粉为符合ys/t 573-2015《钽粉》规定的工业级钽粉。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中所述三火次锻造的工艺为：依次在900℃~1000℃、800℃~900℃以及700℃~800℃下进行三镦三拔，且每次镦拔的变形量为40%~50%，每火次锻造前加热时间为d/2min，其中d是经机械加工后的钛合金铸锭的直径或厚度，单位为mm。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的制度为：600℃~750℃下保温（30+d/2）min，其中d是锻造后的钛合金铸锭的直径或厚度，单位为mm，所述冷却的方式为空冷或者水冷。

技术总结
本发明公开了一种核反应堆压力容器部件用合金材料，由以下质量百分数的元素组成：Ta 4.5%~6.5%，V 0.5%~2.8%，其余为不可避免的杂质元素和Ti；本发明还公开了一种制备合金材料的方法，将海绵钛、钛钽中间合金以及钒颗粒混匀压制成电极块进行真空自耗熔炼，然后进行三火次锻造，经热处理后冷却得到合金材料。本发明以Ti为基体，以低活化的Ta和V为主要的合金化元素，形成组织均匀且物相单一的近α钛合金，使得该合金材料具有优异的抗辐照肿胀性能、抗辐照脆化性能和耐腐蚀性能，并且兼顾了低活化、优异的力学性能、焊接性能和可加工性能；本发明采用多火次锻造及热处理，提高了合金材料的综合力学性能和抗辐照性能。金材料的综合力学性能和抗辐照性能。金材料的综合力学性能和抗辐照性能。


技术研发人员：李欢 吴俊宇 刘后龙 刘承泽 吴金平 张于胜
受保护的技术使用者：西安稀有金属材料研究院有限公司
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2022/3/8