[发明专利]一种高强韧锆合金及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于结构材料领域，具体涉及一种高强韧锆合金及其制备方法。

【背景技术】

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(～60MPa m1/2)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。

【发明内容】

本发明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。

本发明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Zr_aAl_bCo_cM_d，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Zr_aAl_bCo_cM_d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Zr_aAl_bCo_cM_d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Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金；

步骤三、Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭冷却：