一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法技术

本发明专利技术为一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法。该方法包括以下步骤：将金属锆进行退火处理，为以下两种方法之一：方法一：将金属锆水平放置在真空管式炉中，升温至500～800℃；然后随炉降温到室温；或者，方法二：将金属锆水平放置在真空管式炉中，升温至700～800℃；然后随炉降温到室温，再升温至800～850℃，得到经过二次退火处理的金属锆。本发明专利技术通过改变热处理工艺，调整热处理参数，即通过变温变时间的手段，结合二次退火的方式，在锆合金内部微观结构上得到不同尺度锆合金的同时，将生产过程变得更简便、省事、费用低、效率高的目的。率高的目的。率高的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法


[0001]本专利技术涉及金属锆领域，特别涉及一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法。

技术介绍

[0002]锆(Zr)因具有较低的热中子吸收截面(0.18
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m2)、在高温高压水和大多数的酸碱环境中具有出色的耐腐蚀性、良好的抗中子辐照性能、优异的力学性能和良好的加工性能而广泛的作为核反应堆包壳材料和结构材料。锆(Zr)因其具有良好的耐蚀性、生物相容性以及与骨骼相似的弹性模量而被用作髋关节和膝关节植入物等生物领域。此外，Zr具有比不锈钢更低的密度，比钛(Ti)更低的热膨胀系数，更好的耐紫外辐照等性能被用于航空航天等领域，是一种理想的太空结构材料。目前，众多学者对耐蚀性锆及锆合金的探索仍在进行中。
[0003]锆优异的耐蚀性得益于表层致密的氧化膜。但在实际应用过程中由于耐磨性差，经常导致表层的钝化膜被破坏，极大的降低了锆的耐蚀性。尤其是在含氟的核工业领域以及含氯离子环境下，Zr容易发生点蚀。点蚀又称为孔蚀，是一种集中于金属表面很小的范围并深入到金属内部的腐蚀形态，其危害性很大。为了提高金属锆的耐腐蚀性能，研究者通常采用合金化与晶粒细化的手段。但与控制微观结构相比，合金化的成本较高，因此，研究金属锆晶粒尺寸与腐蚀性能的关系具有重大意义。
[0004]目前，用于提高锆合金耐腐蚀性能的手段有多种，包括添加微量元素，改善加工工艺或表面处理技术。这些技术包括表面机械研磨、搅拌摩擦焊、等通道角挤压等，但是这些实验主要是对锆合金的表层进行改善，且所需仪器精贵且维修成本高、人力成本高，而且因为样品尺寸受限所以不易实现工业化生产。在这方面人们正进行大量的研究工作。
[0005]对于金属锆而言，研究晶粒尺寸与力学性能关系的居多，忽略了锆合金微观晶粒尺寸对腐蚀性能的影响。当前对于金属晶粒尺寸与腐蚀性能之间关系的研究主要集中于不锈钢、铝及铝合金、镁及镁合金、钛合金等金属，还未有锆合金晶粒尺寸及其耐蚀性的研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术所面临的问题，提供一种通过控制晶粒尺寸提高金属锆耐蚀性的方法。该方法将轧制纯锆板进行退火处理，通过退火过程中材料内部微观结构的变化，来得到不同晶粒尺寸的金属锆块。本专利技术通过控制热处理工艺，得到不同环境下金属锆晶粒尺寸与腐蚀性能的关联性研究。本专利技术通过改变热处理工艺，调整热处理参数，即通过变温变时间的手段，结合二次退火的方式，在锆合金内部微观结构上得到不同尺度锆合金的同时，将生产过程变得更简便、省事、费用低、效率高的目的。
[0007]本专利技术技术方案如下：
[0008]一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法，该方法包括以下步骤：
[0009](1)将金属锆按照所需的尺寸进行线切割，所述的金属锆为轧制纯锆，轧制金属锆
经过在再结晶温度(750～800℃)以下进行多道次变形获得，最终变形量达到60％～85％，得到的轧制板材；
[0010]所述的板材厚度为1mm～6mm；
[0011](2)将步骤(1)中的金属锆进行退火处理，为以下两种方法之一：
[0012]方法一：将步骤(1)中的金属锆水平放置在真空管式炉中，进行升温，在氩气氛围下，升温至500～800℃，保温2～10个小时；然后随炉降温到室温，得到经过一次退火处理的金属锆；
[0013]或者，方法二：将步骤(1)中的金属锆水平放置在真空管式炉中，进行升温，在氩气氛围下，升温至700～800℃，保温2～4h；然后随炉降温到室温，再升温至800～850℃，保温20～40h，得到经过二次退火处理的金属锆。
[0014]所述的氩气为纯度是99.999％的氩气；氩气氛围的压力为微正压(0.01MPa～0.101MPa)。
[0015]所述的第二步中的升温速率为5～7℃/min。
[0016]本专利技术得到的金属锆晶粒尺寸范围为4～70μm。
[0017]本专利技术的实质性特点为：
[0018]本专利技术研究金属纯锆晶粒尺寸与性能的关系为金属锆晶粒尺寸与腐蚀性能的关系，和当前金属锆晶粒尺寸与力学性能的关联性研究存在着本质区别。
[0019]一般情况下，熔炼后的铸态金属会经过一次退火处理，退火处理为1000℃，属于均匀化退火处理。而本专利技术用到的金属锆为轧制锆，且退火温度低于1000℃，在500～850℃之间，目的是调控微观组织分布但不发生相变。因此，本专利技术通过大量的研究和试验，在退火温度为500～850℃，保温2～40个小时得到了不同晶粒尺寸的金属锆块。在退火过程中，温度过低，微观组织变化不明显，无参考意义；温度过高，锆会发生相变，导致整体试验过程中的变量增加，不具有对比意义。此外，氩气的纯度必须为99.999％，低于这个纯度，会因为氧气易与锆结合，在锆表层形成氧化膜，对本专利技术耐蚀性的研究产生影响。
[0020]本专利技术的技术手段为单次退火与二次退火相结合，为进一步进行大晶粒的制备。适当的二次退火会在不损失性能的前提下得到需要的晶粒尺寸。
[0021]一次退火主要是为了获得退火过程中可以得到的稳定晶粒尺寸，如图4所示，得到的晶粒尺寸为20～40μm；二次退火可以使材料在晶粒长大到极限值后进一步的长大，获得更大的晶粒尺寸,如图5所示，在20～40μm的基础上，纯锆获得的平均晶粒尺寸为47μm，晶粒尺寸范围为30～70μm，如对比例晶粒尺寸(4～10μm)相比，晶粒尺寸长大了7～8倍。
[0022]通常情况下二次退火可以使退火样品的晶粒尺寸增大，同时可以到达稳定晶粒尺寸，降低残余应力的作用。虽然在一定条件见下退火多，尺寸大，但对于本专利技术而言并不是退火次数或者尺寸越大越好，本专利技术的主要目的是调控晶粒尺寸提高耐腐蚀性能，因此，在获得大尺寸晶粒的同时还要不损害材料耐蚀性。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]通过本专利技术的实际研究应用，可以通过调控晶粒尺寸提高金属锆的耐蚀性，且一定范围内，细化晶粒可以提高金属耐蚀性(相比于目前市场上的表面机械研磨纯锆及锆合金等，本专利技术中的产品的耐腐蚀性提升了29％～57％。)此外，通过本专利技术可知，在实际生产过程中，改善金属锆耐蚀性不必非要添加昂贵的金属元素或进行表面处理，单从使用的仪
器成本来看，等离子体设备价值数十万至上百万，而一台真空管式炉只需要几万元，且前者需要时刻监控，人力成本也高，因此本专利技术具有应用成本更低，流程更简便的优点。
附图说明
[0025]图1为对比例1得到的轧制纯锆的金相光学显微图；
[0026]图2为实施例1制得的退火纯锆的金相光学显微图；
[0027]图3为实施例2制得的退火纯锆的金相光学显微图；
[0028]图4为实施例3制得的退火纯锆的金相光学显微图；
[0029]图5为实施例4制得的退火纯锆的金相光学显微图；
[0030]图6为对比例1、实施例1、2制得的纯锆的XRD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过调控晶粒尺寸提高金属锆耐腐蚀性能的方法，其特征为该方法包括以下步骤：(1)将金属锆按照所需的尺寸进行线切割，所述的金属锆为轧制纯锆，轧制金属锆经过750～800℃下进行多道次变形获得，最终变形量达到60％～85％，得到板材状金属锆；(2)将步骤(1)中的金属锆进行退火处理，为以下两种方法之一：方法一：将步骤(1)中的金属锆水平放置在真空管式炉中，进行升温，在氩气氛围下，升温至500～800℃，保温2～10个小时；然后随炉降温到室温，得到经过一次退火处理的金属锆；或者，方法二：将步骤(1)中的金属锆水平放置在真空管式炉中，进行升温，在氩气氛围下，升温至700～800℃，保温2～4h；然后随炉降温到室温，再升温至800～850℃，保温20～40h，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏超群，李可，宋天朔，吴鑫雨，杨泰，李强，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：