[發明專利]一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202110116461.5
• 申請日: 2021-01-28
• 公開（公告）號: CN112941367B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 江勇;吳華建;商佳程
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;B22F9/04;B22F3/02;B22F3/15;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 長沙瀚頓知識產權代理事務所(普通合伙) 43223
• 代理人: 吳亮;朱敏

本發明公開了一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金，包括鋯合金基體、彌散分布于鋯合金基體中的Y?Ti?O和Y?Zr?O納米氧化物析出相，其中，Y?Ti?O和Y?Zr?O納米氧化物析出相的粒度為2?10nm，數密度為1?3×10¹⁵個/m²。本發明提供的納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金，通過機械合金化和熱致密化方式實現溶質的回溶再析出機制，在鋯合金基體中獲得高數密度、低納米尺度、高熱穩定性、彌散分布的Y?Ti?O和Y?Zr?O納米氧化物相，可大幅提高鋯合金的強度和耐熱性。本發明還提供一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金的制備方法。

技術領域

本發明涉及合金材料技術領域，具體涉及一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金及其制備方法。

背景技術

鋯合金具有中子吸收截面低、耐腐蝕、易加工成形、輻照穩定性能好等優點，被廣泛應用于制造核反應堆燃料包殼管等核心結構部件。目前核用鋯合金均采用熔鑄方法制備，經熱處理形成金屬間化合物類型的析出相，實現鋯合金基體的彌散強化。存在鑄錠偏析嚴重、組織成分不均勻，且晶粒粗大，加上金屬間化合物的熱穩定性較差，在高溫服役條件下析出相和晶粒均易發生迅速粗化，從而嚴重限制了鋯合金的服役溫度和強度等問題。由于這些局限，盡管純鋯的熔點高達1850℃，但目前核用鋯合金工作溫度一般不能超過350℃。

隨著先進三代半和在研第四代核反應堆技術的發展，急需一種工作溫度可達500℃以上的高強耐熱鋯合金。

鑒于此，本發明的目的在于提供一種新的鋯合金材料以解決上述技術問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金，通過機械合金化和熱致密化方式實現溶質的回溶再析出機制，在鋯合金基體中獲得高數密度、低納米尺度、高熱穩定性、彌散分布的Y-Ti-O和Y-Zr-O納米氧化物相，可大幅提高鋯合金的強度和耐熱性。

為了解決上述問題，本發明的技術方案如下：

一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金，包括鋯合金基體、彌散分布于鋯合金基體中的Y-Ti-O和Y-Zr-O納米氧化物析出相，其中，Y-Ti-O和Y-Zr-O納米氧化物析出相的粒度為2-10nm，數密度為1-3×10¹⁵個/m²。

進一步地，納米氧化物析出相的結構為Y₂Ti₂O₇和Y₂Zr₂O₇。

進一步地，鋯合金基體包括按重量百分比計的如下成分：

Sn 1.2-1.6％，Fe 0.2-0.5％，Cr 0.1-0.3％，余量為Zr及不可避免的雜質。

本發明還提供一種納米氧化物彌散增強耐熱鋯合金的制備方法，包括如下步驟：

步驟S1，將鋯合金塊進行氫化脫氫處理，得到預合金粉末；

步驟S2，將含有Y、Ti、O元素的粉末材料、預合金粉末放入高速擺振球磨機，在惰性氣體保護下充分混合，得到混合粉末；

步驟S3，將混合粉末在惰性氣體保護下進行高能球磨，溶質元素以Y、Ti、O固溶原子形式回溶進基體，形成超過飽和固溶體結構的機械合金化粉末；

步驟S4，將機械合金化粉末冷壓成坯塊，裝入包套抽真空，對坯塊進行致密化，在鋯合金基體中固溶的溶質原子重新反應析出，形成彌散分布的Y-Ti-O和Y-Zr-O納米氧化物析出相，其中，Y-Ti-O和Y-Zr-O納米氧化物析出相的粒度為2-10nm，數密度為1-3×10¹⁵個/m²。