本發明屬于釩合金復合材料制備技術領域，具體涉及一種釩合金復合材料及其制備方法。

背景技術：

核聚變能的開發將能夠給人類提供近乎無限的能源，世界各先進國家均在該領域投入了巨大力量。以參加國際熱核實驗裝置（International Thermal-nuclear Experimental Reactor, ITER）計劃為主要標志，我國的核聚變研究也日趨活躍。另一方面，材料問題是制約核聚變能開發成功與否的關鍵問題，其中液態鋰氚增殖包層的結構材料由于其所處的高通量輻照、高服役溫度以及與液態鋰的相互作用等問題，引起人們的極大關注。

釩合金由于其具有的特點，例如低活化性、700℃附近的高溫強度、耐輻照腫脹等，被認為是液態鋰氚增殖包層的結構材料的有力候選之一。尤其是釩合金與液態鋰的良好相容特性，使得在采用液態鋰作為氚增殖劑的核聚變堆氚增殖包層設計中，釩合金是首選的結構材料。但是，為了降低液態金屬在磁場中運動所帶來的磁流體動力學（Magneto-Hydro-Dynamics, MHD）壓力損失，必須在增殖包層的結構材料表面形成導電絕緣層，而如何在釩合金表面形成穩定的絕緣覆蓋層，又是一個重要的問題。釩合金難以像鋼鐵那樣在表面形成穩定的鈍化膜。同時，釩的氧化物熔點較低，在高溫下，隨著釩氧化物的不斷形成和熔化，從而加速了釩合金的腐蝕，以致人們懷疑在高氧分壓的環境下使用釩合金的可能性。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種釩合金復合材料的制備方法，所述方法將釩合金棒封入鈦金屬套筒內以構成鍛造構件，通過對所述鍛造構件進行預熱處理、熱鍛處理及鍛后熱處理，形成一層擴散結合層,所述擴散結合層位于鈦金屬基體與釩合金基體之間；

進一步地，所述方法包括：

S1：將釩合金棒放入鈦金屬套筒內，將鈦金屬板焊接在鈦金屬套筒的兩端，完成密封，形成鍛造構件；

S2：對S1中所述鍛造構件進行預熱處理；

S3：對S2中所述鍛造構件進行鍛壓處理；

S4：對S3中所述的鍛造構建進行鍛后熱處理；

進一步地，S1中所述釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內徑；

進一步地，S1中所述釩合金棒和鈦金屬套筒的端面先利用機械加工方法面修平；

進一步地，S2中所述預熱處理的溫度為950-1200℃，預熱處理時間為30分鐘到3小時；

進一步地，S3中所述鍛壓處理的溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%；

進一步地，進行S4前，可反復進行S2和S3復數次，直至獲得具有一定寬度的擴散結合層或一定形狀的鍛件；

進一步地，S4中所述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進行緩冷或空冷至室溫；

進一步地，一種釩合金復合材料，所述釩合金復合材料通過上述熱鍛處理和鍛后熱處理，在釩合金基體與鈦金屬基體之間形成牢固的擴散結合層，進而形成所述釩合金復合材料；

進一步地，一個實施例中，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為0-20 wt%，Ti含量為0-20 wt%；

進一步地，一個實施例中，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為3-6 wt%，Ti含量為3-6 wt%；

進一步地，一個實施例中，所述鈦金屬為純鈦金屬，或為鈦合金；

本發明的有益效果如下：

1）利用本發明的釩合金復合材料，可以在鈦金屬表面形成性能更好的絕緣層，進而可以減輕當釩合金用于氚增殖包層的結構材料時所面臨的MHD壓力損失，從而可以提供可用作核聚變堆氚增殖包層的結構材料以及其他高溫結構材料的釩合金復合材料；

2）本發明所述方法對上述鍛造構件進行預熱處理，然后對預熱處理后的上述鍛造構件進行熱鍛處理，以及，對完成熱鍛處理的上述鍛造構件進行鍛后熱處理，從而在鈦金屬基體與釩合金基體之間形成一層牢固的擴散結合層。

附圖說明

圖1為本發明中所述釩合金復合材料的鍛造構件的結構示意圖；

圖2為本發明中所述釩合金復合材料中的鈦金屬基體與釩合金基體之間的擴散結合層的微觀結構的金相照片；

圖3為本發明中所述釩合金復合材料的制備方法流程圖；

附圖標記：1鈦金屬圓板；2 釩合金棒；3鈦金屬套筒。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。下面為本發明的舉出最佳實施例：

如圖1-圖3所示，本發明提供一種釩合金復合材料的制備方法，所述方法將釩合金棒封入鈦金屬套筒內以構成鍛造構件，通過對所述鍛造構件進行預熱處理、熱鍛處理及鍛后熱處理，形成一層擴散結合層,所述擴散結合層位于鈦金屬基體與釩合金基體之間，所述方法包括：

S1：將釩合金棒放入鈦金屬套筒內，將鈦金屬板焊接在鈦金屬套筒的兩端，完成密封，形成鍛造構件；

S2：對S1中所述鍛造構件進行預熱處理；

S3：對S2中所述鍛造構件進行鍛壓處理；

S4：對S3中所述的鍛造構建進行鍛后熱處理。

S1中所述釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內徑，所述釩合金棒和鈦金屬套筒的端面先利用機械加工方法面修平，S2中所述預熱處理的溫度為950-1200℃，預熱處理時間為30分鐘到3小時，S3中所述鍛壓處理的溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%，進行S4前，可反復進行S2和S3復數次，直至獲得具有一定寬度的擴散結合層或一定形狀的鍛件,S4中所述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進行緩冷或空冷至室溫。

一種釩合金復合材料，所述釩合金復合材料通過上述熱鍛處理和鍛后熱處理，在釩合金基體與鈦金屬基體之間形成擴散結合層，進而形成所述釩合金復合材料，所述釩合金基體為V-Cr-Ti合金，其中Cr含量為0-20 wt%，Ti含量為0-20 wt%。

圖1中，1是鈦金屬圓板，2是由V-4Cr-4Ti釩合金材料車削加工而成的表面光潔的棒材，3為由鈦金屬加工而成為的套筒。鈦金屬套筒3的內徑略小于釩合金棒材2的外徑。對鈦金屬套筒3的內壁和釩合金棒材2的表面進行清潔處理后，將釩合金棒材2放入鈦金屬套筒3內，將鈦金屬圓板1焊接在鈦金屬套筒3的兩端，從而對釩合金棒2進行密封，形成圖1下部所示結構的鍛造構件。接著，對該鍛造構件進行預熱處理。預熱溫度為1150℃，預熱時間為1小時。預熱之后對鍛造構件進行鍛造，鍛造溫度區間為950℃～1150℃，鍛造變形量為10%。鍛造之后對鍛造構件在900℃進行鍛后熱處理，鍛后熱處理時間為1小時，最后將鍛造構件空冷至室溫。該鍛造構件即成為所需的釩合金復合材料。

在圖2中，左側為鈦金屬基體，右側為釩合金基體，在二者之間的帶狀區域就是擴散結合層。由于該擴散結合層的存在，能夠將釩合金與鈦金屬牢固地結合在一起，從而得到具有鈦金屬－擴散結合層－釩合金這樣三層組織的釩合金復合材料。

根據本發明的釩合金復合材料，在釩合金外面包覆了一層高溫耐氧化的鈦金屬，從而可以將釩合金與空氣隔離開來，因此即使在高溫下使用，也不用擔心因為釩合金的氧化而消耗掉釩合金。另外，本發明采用熱處理和鍛造方法，在釩合金基體與鈦金屬基體形成一層擴散結合層，從而將釩合金與鈦金屬牢固地結合在一起，增強了釩合金與鈦金屬之間的結合強度。

根據本發明的釩合金復合材料，在釩合金表面包覆了一層鈦金屬，之后可以在鈦金屬表面形成氧化物層或氮化物層等絕緣層，從而可以減輕當釩合金用于氚增殖包層的結構材料時存在的MHD壓力損失。

根據本發明的實施例，當鍛造溫度低于1000℃后，需要停止鍛造，再次對材料進行預熱處理。另外，如果預熱處理時間過短，鍛造后的材料的形變硬化得不到回復，則難以再進行鍛造，所以預熱處理時間需要30分鐘到3個小時。另外，根據本發明的實施例，希望通過鍛后熱處理促進釩合金基體與鈦金屬基體之間的擴散結合層的形成，因此希望鍛后熱處理的溫度高于850℃。

在步驟S1中，將加工好的釩合金棒放入鈦金屬制成的套筒內。為了使釩合金棒與鈦金屬套筒緊密接觸，希望釩合金棒的外徑略大于鈦金屬套筒的內徑。然后，將鈦金屬圓板焊接在鈦金屬套筒的兩端，從而對釩合金棒材進行密封，構成鍛造構件。為了保證鈦金屬圓板與釩合金棒緊密接觸，可以先利用機械加工方法面將釩合金棒和鈦金屬套筒的端面修平。

在步驟S2中，對鍛造構件進行預熱處理。預熱處理的溫度在950-1200℃之間，預熱處理時間為30分鐘到3個小時。

在步驟S3中，對鍛造構件進行鍛壓處理。上述熱鍛處理的鍛壓溫度為950-1200℃，鍛壓變形量為5-20%。

為了獲得具有一定寬度的擴散結合層，或者，為了獲得一定形狀的鍛件，步驟S3可以反復進行復數次。

在步驟S4中，對鍛造構件進行鍛后熱處理。上述鍛后熱處理的溫度為850-1300℃，鍛后熱處理時間為1－5小時，鍛后熱處理之后進行緩冷或空冷至室溫。

通過步驟S4的鍛后熱處理，促進鈦金屬與釩合金之間的擴散結合層的形成。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。