[发明专利]一种纳/微米结构锆合金及其制备方法

说明书

一种纳/微米结构锆合金及其制备方法，属于高温合金领域。纳/微米结构锆合金的制备方法包括：将初始原料置于大腔体高温高压实验装置中，在压力为1‑25 GPa且温度为1000‑2000℃的条件下烧结/合成，形成大尺寸纳/微米结构锆合金，其中，初始原料由锆和金属M组成，金属M包括铌、钛、铁、锡中的至少一种。利用制备方法的改进，从而制得高致密度且晶粒为纳/微米级的锆合金块材，并兼具有优异的力学性能及力学稳定性。

技术领域

本申请涉及高温合金领域，具体而言，涉及一种纳/微米结构锆合金及其制备方法。

背景技术

锆合金包括Ti-Zr合金、Nb-Zr合金及Nb-Ti-Zr合金等。

其中，Ti-Zr合金在高温高压条件下具有优异的力学性能、抗蠕变性等，并在室温下机械性能良好(相对较低的弹性模量，优良的塑性等)，因此引起了科学界和工程应用界的广泛关注。例如Ti-Zr合金的低中子俘获截面作为核工业的重要材料，以及优秀的抗腐蚀性能，优良的可塑性，且对机体无毒性作用，广泛应用在生物材料，如骨骼，牙齿等。

Zr-Nb合金由于其优异的力学性能、良好的导热性、低中子俘获截面及良好的高温高压耐腐蚀及抗蠕变性能等而作为核工业的宝贵材料，如Zr-2.5Nb核燃料包覆材料等。Zr-Nb合金也由于其优异的力学性能(如：强度、韧性、弹性模量)及生物相容性，而作为理想的膝关节和髋关节等骨科植入替代材料，应用于生物医学等。

但目前的锆合金的力学性能、热稳定性存在局限性，如何进一步提高锆合金的力学性能及热稳定性等，在材料加工及制造业领域内意义重大。

发明内容

本申请提供了一种纳/微米结构锆合金及其制备方法，其能够通过制备方法的改进，以优化纳/微米结构锆合金的力学性能、热力学稳定性。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种纳/微米结构锆合金的制备方法，其包括：

将初始原料置于大腔体高温高压实验装置内，在压力为1-25GPa且温度为1000-2000℃的条件下烧结/合成，形成大尺寸纳/微米结构锆合金。

其中，初始原料由锆和金属M纳/微米粉体材料组成，金属M包括铌和钛中的至少一种。

本申请提供的纳/微米结构锆合金的制备方法，创造性引入高温高压材料制备工艺，在压力为1-25GPa且温度为1000-2000℃的高温高压条件下使锆和金属M发生相变及高压固相反应，从而烧结/合成晶粒为纳/微米级的纳/微米结构锆合金，一方面利用高压抑制晶粒生长的热力学效应以细化晶粒，从而制得晶粒为纳/微米级锆合金块体材料，另一方面利用高压使晶粒与晶粒之间更加紧密的结合在一起，从而提高纳/微米结构锆合金的致密度，进而有效优化纳/微米结构锆合金的力学性能以及热力学稳定性。

在一些可选地实施例中，金属M为铌，金属M和锆的摩尔比为(1-X):X，其中X＝0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.8或0.9。

在一些可选地实施例中，金属M为钛，金属M和锆的摩尔比为1-2:1。

在一些可选地实施例中，烧结/合成的时间为至少10min。

在一些可选地实施例中，烧结/合成的时间为10-120min。

在一些可选地实施例中，将初始原料以铸锭的形式置于高温高压腔体，铸锭由以下制备方法制得：将锆和金属M混合，真空熔炼，冷却所得。

可选地，真空熔炼的真空度为(2-5)×10^-3Pa，真空熔炼的温度为500-600℃。

可选地，混合包括：将锆和金属M粉体材料置于球磨机中，以300-500rpm球磨10-25h。