一种高强韧锆合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高强韧锆合金，该高强韧锆合金的化学分子式为ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种；同时公开了该高强韧锆合金的制备方法；本发明专利技术锆合金不仅具有高强度和高韧度，而且具有良好的压缩塑性变形能力与优异的耐腐蚀性能；整个制备过程简单易于操作，制备成本低；因此，本发明专利技术为结构材料、航空航天、医疗器械等领域拓宽了材料的选择。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于结构材料领域，具体涉及一种高强韧锆合金及其制备方法。
技术介绍
锆是一种稀有金属，具有优异的抗腐蚀性能和极高的熔点(1800℃以上)；锆具有同质异晶转变，高温下的晶体结构为体心立方，低温下为密排六方；锆的塑性好，可通过塑性加工制成管材、板材、棒材和丝材，其焊接性也好，可用以进行焊接加工；但是纯锆的室温抗拉强度很低，不到400MPa，难以满足结构材料的对力学性能的要求，因此，工业上应用以锆合金为主。锆合金是以锆为基体加入其他元素而构成的有色合金，主要合金元素有锡、铌、铁等。锆合金在300～400℃的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面，对核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反应堆的堆芯结构材料。锆对多种酸、碱和盐有优良的抗蚀性，与氧、氮等气体有强烈的亲和力，因此锆合金也用于制造耐蚀部件和制药机械部件，在电真空和灯泡工业中被广泛用作非蒸散型消气剂。另外，锆具有较低的弹性模量、优异的耐蚀性能和生物相容性。因此锆合金在航空航天、军工、核反应、原子能和生物医用材料领域具有广泛的应用前景。工业规模生产的锆合金有锆锡系和锆铌系两类，前者合金牌号有Zr-2、Zr-4，后者的典型代表是Zr-2.5Nb。当在纯锆中合金化少量的锡、铌等元素后，锆合金的强度可以提高到900MPa，但作为结构材料来说强度还较低，因此需要开发高强度的锆合金。块体非晶合金是一种新型金属材料，不同于晶态合金，其原子排列具有长程无序短程有序的结构特点，因而表现出一系列优于晶态合金的特性。近年来，锆基非晶合金由于具有高强度(～1600MPa)、高硬度(～450Hv)、低弹性模量(～80GPa)、高断裂韧性(～60MPam1/2)和高疲劳抗性等优异的性能而备受关注；然而，室温下锆基非晶合金的塑性变形主要依靠高度区域化的剪切带进行，从而表现出显著的室温脆性和应变软化等特点，限制了其作为结构材料的应用。因此，开发同时具有高强度和高韧性的锆合金对于其在结构材料领域的应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种高强韧锆合金及其制备方法，所得锆合金具有高强度与高韧度的特点，且制备方法简单易于操作。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：该高强韧锆合金的化学分子式为ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。进一步地，该高强韧锆合金的各组成元素的质量百分比纯度均≥99.0％。进一步地，该高强韧锆合金的压缩屈服强度为1100～1400MPa，压缩断裂强度为1350～1710MPa。进一步地，该高强韧锆合金在浓度为1mol/L的HCl中的腐蚀速率小于1μm/年。与此同时，公开了上述高强韧锆合金的制备方法，该制备方法包括如下具体操作步骤：步骤一、配料：按原子百分比称取ZraAlbCocMd的各组成元素，且各组成元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；步骤二、熔炼制ZraAlbCocMd的母合金：将步骤一所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500～2800℃；反复熔炼4遍或4遍以上，得到ZraAlbCocMd的母合金；步骤三、ZraAlbCocMd合金铸锭冷却：将步骤二得到的母合金在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，直至母合金由液态冷却至固态，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的ZraAlbCocMd合金铸锭即所述高强韧锆合金。进一步地，该制备方法还包括步骤四、ZraAlbCocMd合金样品加工：将步骤三制得的ZraAlbCocMd合金铸锭用线切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中间部分，对切割后表面进行研磨抛光后，即得到ZraAlbCocMd合金样品。本专利技术的有益效果在于：针对目前大部分锆合金的塑性较好但是强度较低，锆基非晶合金强度较高但塑性变形能力差的问题，本专利技术提供了一种具有高强度和高韧度的锆合金，且具有良好的压缩塑性变形能力与优异的耐腐蚀性能；同时公开了该高强韧锆合金的制备方法，整个制备过程简单易于操作，制备成本低；因此，本专利技术为结构材料、航空航天、医疗器械等领域拓宽了材料的选择。【具体实施方式】本专利技术高强韧锆合金的化学分子式为ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。其中，高强韧锆合金的各组成元素的质量百分比纯度均≥99.0％；该高强韧锆合金的压缩屈服强度为1100～1400MPa，压缩断裂强度为1350～1710MPa，其在浓度为1mol/L的HCl中的腐蚀速率小于1μm/年。上述高强韧锆合金的制备方法包括如下具体操作步骤：步骤一、配料：按原子百分比称取ZraAlbCocMd的各组成元素，且各组成元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；步骤二、熔炼制ZraAlbCocMd的母合金：将步骤一所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500～2800℃；反复熔炼4遍或4遍以上，得到ZraAlbCocMd的母合金；步骤三、ZraAlbCocMd合金铸锭冷却：让步骤二得到的母合金在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，直至该母合金由液态冷却至固态(由液态冷却至固态所需的冷却时间一般为20-60秒)，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的ZraAlbCocMd合金铸锭即所述高强韧锆合金。另外，为了使得本专利技术ZraAlbCocMd合金铸锭便于后期销售等市场需求，一般可将其加工成样品，即本专利技术还可包括步骤四、ZraAlbCocMd合金样品加工，具体地，将制得的ZraAlbCocMd合金铸锭用线切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中间部分，对切割后表面进行研磨抛光后，即得到ZraAlbCocMd合金样品。为了更好的对本专利技术进行阐述说明，申请人例举了如下实施例。实施例1制备化学分子式为Zr50Al10Co35Ni5的高强韧锆合金，具体地操作如下：按原子百分比Zr50Al10Co35Ni5称量Zr、Al、Co、Ni纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至3×10-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼5遍，得到Zr50Al10Co35Ni5的母合金；让得到的母合金仍然在质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强韧锆合金，其特征在于：该高强韧锆合金的化学分子式为ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧锆合金，其特征在于：该高强韧锆合金的化学分子式为ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种高强韧锆合金，其特征在于：该高强韧锆合金的各组成元素的质量百分比纯度均≥99.0％。3.根据权利要求1所述的一种高强韧锆合金，其特征在于：该高强韧锆合金的压缩屈服强度为1100～1400MPa，压缩断裂强度为1350～1710MPa。4.根据权利要求1所述的一种高强韧锆合金，其特征在于：该高强韧锆合金在浓度为1mol/L的HCl中的腐蚀速率小于1μm/年。5.一种如权利要求1所述的高强韧锆合金的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下具体操作步骤：步骤一、配料：按原子百分比称取ZraAlbCocMd的各组成元素，且各组成元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；步骤二、熔炼制...

【专利技术属性】
技术研发人员：花能斌，陈文哲，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35