[發明專利]一種高強韌鋯合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201610928741.5
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN106521240B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 花能斌;陳文哲
• 申請（專利權）人: 福建工程學院
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C1/03
• 代理公司: 福州市鼓樓區京華專利事務所(普通合伙)35212
• 代理人: 王美花

【技術領域】

本發明屬于結構材料領域，具體涉及一種高強韌鋯合金及其制備方法。

【背景技術】

鋯是一種稀有金屬，具有優異的抗腐蝕性能和極高的熔點(1800℃以上)；鋯具有同質異晶轉變，高溫下的晶體結構為體心立方，低溫下為密排六方；鋯的塑性好，可通過塑性加工制成管材、板材、棒材和絲材，其焊接性也好，可用以進行焊接加工；但是純鋯的室溫抗拉強度很低，不到400MPa，難以滿足結構材料的對力學性能的要求，因此，工業上應用以鋯合金為主。

鋯合金是以鋯為基體加入其他元素而構成的有色合金，主要合金元素有錫、鈮、鐵等。鋯合金在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能、較低的原子熱中子吸收截面，對核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反應堆的堆芯結構材料。鋯對多種酸、堿和鹽有優良的抗蝕性，與氧、氮等氣體有強烈的親和力，因此鋯合金也用于制造耐蝕部件和制藥機械部件，在電真空和燈泡工業中被廣泛用作非蒸散型消氣劑。另外，鋯具有較低的彈性模量、優異的耐蝕性能和生物相容性。因此鋯合金在航空航天、軍工、核反應、原子能和生物醫用材料領域具有廣泛的應用前景。

工業規模生產的鋯合金有鋯錫系和鋯鈮系兩類，前者合金牌號有Zr-2、Zr-4，后者的典型代表是Zr-2.5Nb。當在純鋯中合金化少量的錫、鈮等元素后，鋯合金的強度可以提高到900MPa，但作為結構材料來說強度還較低，因此需要開發高強度的鋯合金。塊體非晶合金是一種新型金屬材料，不同于晶態合金，其原子排列具有長程無序短程有序的結構特點，因而表現出一系列優于晶態合金的特性。近年來，鋯基非晶合金由于具有高強度(～1600MPa)、高硬度(～450Hv)、低彈性模量(～80GPa)、高斷裂韌性(～60MPa m1/2)和高疲勞抗性等優異的性能而備受關注；然而，室溫下鋯基非晶合金的塑性變形主要依靠高度區域化的剪切帶進行，從而表現出顯著的室溫脆性和應變軟化等特點，限制了其作為結構材料的應用。因此，開發同時具有高強度和高韌性的鋯合金對于其在結構材料領域的應用具有重要的意義。

【發明內容】

本發明所要解決的技術問題在于提供一種高強韌鋯合金及其制備方法，所得鋯合金具有高強度與高韌度的特點，且制備方法簡單易于操作。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：該高強韌鋯合金的化學分子式為Zr_aAl_bCo_cM_d，式中：a、b、c、d為原子百分數；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M為Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一種。

進一步地，該高強韌鋯合金的各組成元素的質量百分比純度均≥99.0％。

進一步地，該高強韌鋯合金的壓縮屈服強度為1100～1400MPa，壓縮斷裂強度為1350～1710MPa。

進一步地，該高強韌鋯合金在濃度為1mol/L的HCl中的腐蝕速率小于1μm/年。

與此同時，公開了上述高強韌鋯合金的制備方法，該制備方法包括如下具體操作步驟：

步驟一、配料：按原子百分比稱取Zr_aAl_bCo_cM_d的各組成元素，且各組成元素的質量百分比純度均不低于99.0％，混合均勻后得熔煉原料，備用；

步驟二、熔煉制Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金：

將步驟一所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10^-3～5×10^-3Pa，并在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500～2800℃；反復熔煉4遍或4遍以上，得到Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金；

步驟三、Zr_aAl_bCo_cM_d合金鑄錠冷卻：