TiC纳米沉淀强化V合金的微观结构与力学性能☆

《Materials Research Bulletin》：Microstructure and Mechanical Behavior of a TiC Nanoprecipitate Strengthened V Alloy☆

V44C合金通过计算热力学设计形成高密度TiC纳米析出物，有效改善蠕变强度并缓解辐照硬化，传统冶金工艺验证其可行性并提升力学性能。

　　V-4Cr-4Ti（V44）合金被认为是聚变能应用中自冷却液锂包层及其他设计的主要候选结构材料。然而，这种合金的应用受到其操作温度窗口的限制，因为在700°C及以上温度时，其蠕变强度会下降，而在低于400°C的辐照条件下，其容易发生辐照硬化和脆化。为了解决这些问题，本研究探索了设计一种新型V合金的可能性，该合金能够在V44基体中形成高密度的TiC纳米析出相，从而同时提升蠕变强度并提供缺陷陷阱以缓解辐照硬化。通过计算热力学方法，我们设计了一种新的合金V44C，旨在实现高密度的TiC纳米析出相。为了确保可扩展性，新合金通过电弧熔炼和铸锭铸造后，再经过热锻、冷轧和固溶处理与析出时效工艺制备而成。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和原子探针断层扫描（APT）对微观结构进行了表征，确认了热力学计算预测的纳米析出相的存在。除了对微观结构的评估，还对室温及700°C下的拉伸性能，以及室温下的夏比冲击能量进行了测量。将新合金V44C的微观结构和机械性能与历史参考合金V44进行了比较。V44C的拉伸强度提升可以通过析出强化和固溶强化机制进行解释。断裂行为则通过断口分析和颈缩变形行为进行讨论。

在聚变反应堆的结构材料研究中，钒合金，特别是V-Cr-Ti合金，是三种主要候选材料之一，另外两种为减活铁素体/马氏体钢（包括ODS铁素体合金）和SiC/SiC复合材料。除了低活化特性外，V-Cr-Ti合金还具有与液态锂良好的相容性，这使其成为自冷却液锂包层设计的主要候选材料。几十年的研究已经确认，在V-Cr-Ti成分体系中，V44合金因其良好的高温蠕变性能（可达到700°C）和低的初始脆化转变温度（DBTT）约为-200°C而成为领先候选材料。尽管V44合金具备多种理想的性能，但其应用却局限于液态锂包层等冷却剂系统中较狭窄的操作窗口。例如，在低温辐照（低于400°C）下，V44合金会经历辐照脆化和硬化，从而限制了其最低操作温度。研究表明，V44合金缺乏内在的微观结构特征作为缺陷陷阱，导致缺陷簇的形成、应力流的局部化以及延展性的降低。另一方面，V44合金的最高操作温度仍在积极研究中，尽管有限的测试表明，在高于700°C的温度下会发生加速的热蠕变。因此，开发一种新型V合金以扩展其操作窗口具有重要意义。

在文献中，已有许多努力用于改进V44合金的性能。为了缓解间隙杂质的不利影响，一些研究尝试使用不同的“净化剂”如La、Si和Al，以及Y等元素来减轻辐照脆化。此外，另一种已被证实有效的方法是通过机械合金化实现粒子分散强化，以提高V合金的高温机械性能。例如，Zheng等人通过机械合金化向V44合金中引入TiC和Ti3SiC2等分散粒子，从而提高了屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率和总延伸率。尽管这些方法取得了积极的成果，但通过机械合金化制造的路径存在一定的局限性，包括间隙元素的捕获以及难以实现大规模生产的问题。

在本研究中，我们设计并制造了一种新的合金V44C，该合金通过传统的铸锭冶金方法，在V44基体中形成内部的纳米级析出相。通过将碳（C）、氮（N）和氧（O）等间隙元素与钛（Ti）结合，我们实现了内部纳米析出相的形成。为了确保材料的热力学稳定性和相结构，我们使用了CALPHAD（CALculation of PHAse Diagram）方法，对适当的合金化学成分和热处理参数进行了计算，以在传统的铸锭冶金工艺后形成纳米级面心立方（FCC）TiX（X = C, N和/或O）析出相，而不是通过机械合金化。这些析出相被认为在系统中可以发挥多种有益作用。首先，它们能够减少由于间隙元素引起的基体畸变所导致的位错运动障碍，从而改善低温脆化问题。其次，这些析出相可以作为基体与析出相界面处的缺陷重组或湮灭位点，以缓解辐照硬化。第三，它们可以提供更多He气泡的形核位点，从而实现更均匀的小尺寸He气泡分布，以减少体积膨胀和高温He脆化。正如先前的从头计算（first principles calculations）所指出的，以及在分散强化铁素体合金中的实验结果所证明的，这种机制能够有效提升材料的性能。最后，这些析出相通过析出强化机制对拉伸强度产生贡献，并通过优化析出相的尺寸和密度，有望提高高温强度，如蠕变强度，从而提升合金的最高操作温度。本研究作为一项探索性研究，主要关注通过传统铸锭冶金方法形成高密度TiC纳米析出相的可行性，以及由此产生的微观结构特征和机械性能。通过SEM、S/TEM、XRD、APT、拉伸和夏比测试对新合金V44C的微观结构和机械性能进行了研究，并与参考合金V44进行了比较。这些未辐照的实验结果将作为未来扩展V合金操作窗口的基础，待在代表性的中子/离子辐照条件下进行验证，并结合辐照后的测试与表征进行进一步研究。

在合金设计过程中，我们借助了CALPHAD方法，建立了一个内部的钒热力学数据库，涵盖了钒、铬、钛、碳、氮、氧、硅和钇等元素。该数据库用于指导新型纳米析出相强化V合金的设计。考虑到V44合金的优良性能，我们以现有V44合金的成分作为热力学计算的起点。V44合金由Wah Chang制造，其成分如表1所示。合金设计过程中，我们充分考虑了各种因素，以确保新合金在性能和结构上的优化。

通过扫描电子显微镜（SEM）对V44C的微观结构进行了观察。图2（a）展示了V44C退火后的SEM-背散射电子（BSE）图像。从图中可以看出，晶粒为等轴状，表明V44C样品已经完成了完全再结晶，其晶粒尺寸通过直线截距法测量约为71微米。相比之下，图2（b）展示了原始和退火后的V44合金的SEM-BSE图像。V44合金的晶粒尺寸约为25微米，明显小于V44C。这种差异主要是由于两种合金在热机械处理过程中的不同所导致的。V44C采用了传统的铸锭冶金方法，而V44则可能经历了更复杂的加工过程，导致晶粒尺寸较小。

在强化机制方面，V44C在室温下的屈服强度和抗拉强度均显著高于V44。这种提升可以通过多种强化机制进行解释，尤其是通过析出强化，因为退火后的V44C中存在大量细小的析出相。此外，由于V44C中间隙元素和置换元素含量的变化较小，其固溶强化效应也相对有限。而晶界强化则由于V44合金的晶粒尺寸更小，因此在室温下的贡献更为显著。这些强化效应的综合影响可以通过实验数据进行估算，并进一步分析其对材料性能的具体贡献。

为了全面评估V44C的性能，我们还进行了夏比冲击试验，以研究其在室温下的冲击韧性。同时，通过拉伸试验，我们测量了V44C在室温及700°C下的力学性能。这些实验数据不仅提供了对材料在不同温度下的机械性能的深入了解，还为评估其在高温环境下的适用性提供了依据。通过对比V44C与V44合金的实验结果，我们可以进一步分析新合金在性能上的提升是否具有实际意义，并探讨其在高温和辐照条件下的表现。

通过分析V44C的微观结构和机械性能，我们得出了一些重要的结论。首先，V44C中额外添加的碳主要被消耗在TiC纳米析出相的形成过程中，这表明碳的添加对析出相的生成起到了关键作用。其次，V44C的晶粒尺寸较大，这可能对材料的延展性和韧性产生积极影响。然而，这种较大的晶粒尺寸也意味着其晶界强化效应相对较低，因此需要通过其他强化机制来弥补。此外，V44C的微观结构显示其具有均匀的纳米析出相分布，这可能有助于提升材料的整体强度和稳定性。

为了确保新合金的性能符合设计要求，我们还对其进行了系统的热处理和加工工艺优化。通过固溶处理和析出时效工艺，我们成功地在V44C中形成了高密度的TiC纳米析出相。这种析出相的形成不仅提高了材料的强度，还可能对辐照后的性能产生积极影响。通过实验数据的分析，我们发现V44C在高温下的表现优于V44合金，这表明其具有更广泛的应用前景。

本研究的成果表明，通过传统的铸锭冶金方法设计并制造新型V合金V44C是可行的。V44C中形成的TiC纳米析出相不仅能够提高材料的强度，还可能对辐照后的性能产生积极影响。通过对比V44C与V44合金的实验结果，我们可以得出一些关键结论。首先，V44C中额外添加的碳主要被用于形成TiC纳米析出相，这表明碳的添加对析出相的生成起到了关键作用。其次，V44C的晶粒尺寸较大，这可能对材料的延展性和韧性产生积极影响。然而，这种较大的晶粒尺寸也意味着其晶界强化效应相对较低，因此需要通过其他强化机制来弥补。此外，V44C的微观结构显示其具有均匀的纳米析出相分布，这可能有助于提升材料的整体强度和稳定性。

为了进一步验证V44C的性能，我们还考虑了其在辐照条件下的表现。尽管本研究中未进行实际的辐照实验，但通过计算和模拟，我们推测V44C中的纳米析出相可能对辐照后的性能产生积极影响。这些析出相可以作为缺陷重组或湮灭的位点，从而缓解辐照硬化和脆化问题。此外，它们还可以作为He气泡的形核位点，从而实现更均匀的小尺寸He气泡分布，以减少体积膨胀和高温He脆化。这些机制的综合影响可能使V44C在辐照条件下表现出更优异的性能，从而拓展其应用范围。

通过本研究的成果，我们为V合金在高温和辐照条件下的应用提供了新的思路。V44C的开发不仅提高了其在高温下的性能，还可能在辐照条件下表现出更好的稳定性。这些改进将有助于提升V合金在聚变能应用中的适用性，特别是在自冷却液锂包层等高温环境下。通过进一步的研究和实验，我们希望能够在实际的辐照条件下验证V44C的性能，并将其应用于更广泛的领域。

综上所述，本研究通过设计和制造新型V合金V44C，探索了在V44基体中形成高密度TiC纳米析出相的可行性。通过实验和分析，我们发现V44C在室温及高温下的性能均优于V44合金。这种性能的提升主要归功于析出强化、固溶强化和晶界强化等多种机制的共同作用。此外，V44C的微观结构显示其具有均匀的纳米析出相分布，这可能有助于提升材料的整体强度和稳定性。通过对比实验结果，我们得出了一些关键结论，这些结论不仅为V合金的进一步优化提供了依据，也为未来在聚变能应用中的推广奠定了基础。本研究的结果表明，通过传统的铸锭冶金方法设计并制造新型V合金是可行的，并且具有实际应用的潜力。未来的研究将重点关注如何在实际的辐照条件下验证V44C的性能，并进一步优化其在高温和辐照环境下的表现。