[發(fā)明專利]一種含Sn和Nb的鋯基大塊非晶合金、制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310005467.0
• 申請日: 2013-01-08
• 公開（公告）號: CN103060727A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊濱;羅文東;李宇翔;王西濤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C22C45/10
• 分類號: C22C45/10;C22C1/03;G21C3/07;G21C3/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非晶態(tài)合金，尤其涉及一種具有良好塑性、耐Ar離子輻照和耐H₂SO₄腐蝕的Zr_61.5Cu_19.5Fe₅Al₁₁Sn₁Nb₂大塊非晶合金、制備方法及其在核電站燃料組件方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)

二十世紀(jì)九十年代初以來，以日本和美國為首，開發(fā)了一系列具有強非晶形成能力的合金成分，其中鋯基非晶合金的臨界冷卻速率低至1K/s量級，易用銅模鑄造和水淬等方法制備成三維塊體材料。業(yè)已證實，大塊非晶的斷裂行為與剪切帶密切相關(guān)，其剪切帶的形成是高度局域化的。一般認為，金屬玻璃中某些不均勻處的粘度降低是形成局域化的剪切帶的主要機制。試樣壓縮過程中，微裂紋首先在某一處萌生，并沿剪切帶方向通過層層撕裂剪切帶的方式向前擴展。這種擴展速率非?？?，當(dāng)大量的微裂紋相互連接形成主裂紋時，主裂紋的迅速擴展便導(dǎo)致試樣的失效和斷裂。顯然，脆性問題嚴(yán)重限制了大塊非晶合金作為工程材料的廣泛應(yīng)用。如何解決大塊非晶合金的脆性一直是該領(lǐng)域重要的研究方向。

壓水堆核燃料組件用鋯合金服役環(huán)境惡劣，既要求其具有低的熱中子吸收截面、較高的強度、良好的延展性、導(dǎo)熱性和抗輻照穩(wěn)定性，又要求其具有優(yōu)良的抗腐蝕性和吸氫穩(wěn)定性。相比鋯合金，鋯基非晶合金具有優(yōu)異的抗輻照穩(wěn)定性和優(yōu)良的耐蝕性。遺憾的是，具有良好塑性的鋯基非晶合金僅限于Zr-Ni基大塊非晶合金。由于Ni會加速Zr的吸氫量，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，因此必須開發(fā)一種不含Ni、具有良好塑性且符合核性能要求的Zr基大塊非晶合金。研究表明，新型無Ni的Zr_61.5Cu_21.5Fe₅Al₁₂非晶合金具有鋯合金不可比擬的眾多優(yōu)異性能，但它的室溫脆性限制了其作為核燃料組件用結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。顯然，要將Zr_61.5Cu_21.5Fe₅Al₁₂非晶合金用于核燃料組件，以部分替代現(xiàn)廣泛使用的鋯合金，首先需要解決其脆性問題。

眾多研究表明，微合金化能有效改善塊體鋯基非晶合金的塑性。例如，Y.F.Sun等人通過控制冷卻速度，在ZrCuAl大塊非晶合金中引入CuZr馬氏體相，制備出了非晶合金基體加馬氏體相的大塊非晶合金基復(fù)合材料，其塑性變形能力提高至7.7%[Stress-induced?martensitic?transformations?in?CuZrAl?bulk?metallic?glassforming?alloys,Materials?Science?and?Engineering?A,2008?479(1):31-36]。又如，G.Y.Sun等人研究了原位析出樹枝狀和球狀bccβ-Zr(Ti,Nb)固溶體后Zr_56.2Ti_13.8Nb₅Cu_6.9Ni_5.6Be_12.5大塊非晶復(fù)合材料的塑性變形能力(Comparison?ofmicrostructures?and?properties?of?Zr-based?bulk?metallic?glass?composites?withdendritic?and?spherical?bcc?phase?precipitates,Intermetallics,2007,15:632)。析出的樹枝狀和球狀β相尺寸分別為1-3μm和18μm，兩者百分含量均為30%。結(jié)果顯示，含有樹枝狀和球狀β相的復(fù)合材料其塑性應(yīng)變分別達到8.82%和12%。然而，對于應(yīng)用在壓水堆核燃料組件方面的鋯基非晶合金來說，著眼于改善其室溫塑性的同時，必須兼顧其抗輻照性能。迄今，在眾多研究中未見將熱中子吸收截面小的Sn、Nb作為合金化元素添加到鋯基非晶合金中以改善其塑性的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有壓水堆核燃料組件廣泛使用的是高Zr合金，帶來的問題是成本高和資源短缺；并且，現(xiàn)有Zr基非晶合金塑性較差，滿足不了實際工況的使用要求。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案。