阅读说明：本技术 一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法 (High-strength and high-plasticity ZrTiAlNb zirconium-based alloy and preparation method thereof ) 是由 周云凯 张宴会 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法。所述锆基合金由质量百分比：锆35％-45％、钛58％-40％、铝4％--3％、铌3-2％的元素组成。其制备方法是：将原料表面清除干净后,混合均匀制成电极,放入自耗型熔炼炉中,在惰性气体保护下反复熔炼成合金铸锭,高温退火后,在轧机上进行多道次热轧变形,单道次变形量不低于10％,最终变形量不低于70％,每道次间需将合金上下翻转,并回炉保温。之后,将合金板材进行淬火处理,在合金微观组织结构中得到大量纳米孪晶。本发明的抗拉强度可达到1135MPa,延伸率可达到7.2％,并具有较小的热膨胀系数和良好的耐辐照和原子氧腐蚀性能等优点,符合空间活动构件用结构材料的基本要求。(The invention discloses a high-strength high-plasticity ZrTiAlNb zirconium-based alloy and a preparation method thereof. The zirconium-based alloy comprises the following components in percentage by mass: 35-45% of zirconium, 58-40% of titanium, 4-3% of aluminum and 3-2% of niobium. The preparation method comprises the following steps: cleaning the surface of the raw materials, uniformly mixing to prepare an electrode, putting the electrode into a consumable smelting furnace, repeatedly smelting to form an alloy ingot under the protection of inert gas, carrying out multi-pass hot rolling deformation on a rolling mill after high-temperature annealing, wherein the single-pass deformation is not less than 10%, the final deformation is not less than 70%, the alloy is required to be turned over up and down during each pass, and the alloy is returned to the furnace for heat preservation. And then, quenching the alloy plate to obtain a large amount of nano twin crystals in the microstructure of the alloy. The tensile strength of the invention can reach 1135MPa, the elongation can reach 7.2%, and the invention has the advantages of smaller thermal expansion coefficient, good radiation resistance and atomic oxygen corrosion resistance, and the like, and meets the basic requirements of structural materials for space activity components.)

一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法

技术领域

本发明公开一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法，属于一种新材料的制备技术领域。

背景技术

合金钢(不锈钢、GCr15、20CrMnTi)和TC4钛合金是目前被广泛应用在航空航天领域中的两种合金材料体系，有很长的实际应用历史。但随着技术的发展，对空间探索的要求提升，两种材料体系在性能方面都存在不尽如人意的方面。合金钢材料体系普遍存在密度大、受交变温度影响大、尺寸精度易受影响、比强度偏低的问题，并且耐辐照和耐原子氧腐蚀性能表现不佳。TC4钛合金则存在强度偏低，耐磨性偏低，尺寸稳定性不理想等问题。因此，迫切需要寻找新的合金体系作为替代材料，满足空间活动构件日益增长的使用要求，促进航空航天材料领域的发展。锆合金已被广泛应用在核能、化工等领域中，因其有较小的热膨胀系数，耐辐照和原子氧的腐蚀性能较好，有望成为航空航天领域空间活动构件的新的合金材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法。该发明主要以ZrTiAlNb锆基合金作为研究对象，通过一系列严格控制参数的加工方法，有目的的调整合金组织微结构，从而制备出具有高强度高塑性的ZrTiAlNb锆基合金。

本发明所采用的技术方案如下：

一种锆基合金由以下成分组成及质量百分比为：锆35-45％、钛58-40％、铝4％-3％、铌3-2％，所述锆基合金的抗拉强度为1063～1135MPa，延伸率可达到7％以上，相对于9Cr18钢和TC4钛合金具有较好的综合力学性能，同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能。

一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)原材料的准备：将质量百分比为；锆35％-45％、钛58％-50％、铝4％-3％、铌3-2％的原材料进行表面酸洗去氧化处理，随后先后用弱碱性溶液、无水乙醇清洗，最后采用超声波仪器去除表面残留物，最后用烘干箱快速烘干，保持干燥。

步骤(2)电极制作：将金属原料混合均匀之后，利用专用设备压制成熔炼用电极棒。

步骤(3)合金铸锭：将制好的电极棒放入自耗型熔炼炉中熔炼，炉腔内采用分级抽真空的方式达到10^-5级真空度，充入惰性气体形成保护气氛，合金铸锭需经多次熔炼过程，以保证熔炼均匀。

步骤(4)均匀化退火：合金铸锭在进一步加工前，需在保护气氛下，经高温长时间均匀化退火，使合金铸锭成分进一步均匀，均匀化退火温度控制在950-1000℃，退火时间根据30min/kg的标准确定。

步骤(5)热加工变形：

①塑性变形加工工艺是制备高强度高塑性锆基合金的关键环节，合金铸锭加热方式采用箱式电阻炉加热，加热温度范围为600-750℃。

②首次轧制变形前，保温时间根据合金铸锭大小决定，对于重量小于5kg的合金锭控制在30-50分钟，超过5kg的铸锭，保温时间按照10min/kg增加。

③轧制变形需采用多道次轧制变形工艺，单道次压下变形量不低于10％，每经过一道次轧制，应将合金铸锭上下翻转回炉保温后进行下一道次轧制，最终压下变形量需达到70％以上。

④每道次回炉保温时间，根据合金铸锭大小决定，重量小于5kg的合金铸锭控制在3-7分钟内，超过5kg保温时间按5min/kg增加；需严格控制每道次塑性变形之间保温时间，回炉保温时间过长将可能导致合金组织发生回复，从而影响合金板材最终性能。

步骤(6)水淬、快速冷却、清洗：

在轧制塑性变形工艺结束后，将合金板材立刻浸入水中，采用水淬方式迅速降温，最终得到高强度高塑性锆基合金板材，将锆基合金板材表面去除氧化皮，清洗干净后得到本系列ZrTiAlNb锆基合金。

本发明的有益效果是：该发明通过组织调控技术得到大量纳米孪晶结构，从而具有较高的抗拉强度，较好的延伸率，可以作为航空结构构件材料使用。本发明具有较高的比强度，良好的耐酸碱腐蚀等优良的力学和理化性能。本发明制备工艺简单易操作，锆基合金材料性能稳定，可用于工业生产。本发明得到的ZrTiAlNb锆基合金抗拉强度可达到1100MPa以上，延伸率可达到7％以上，相比于9Cr18钢和TC4钛合金，有较好的综合力学性能。同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能等优点，拓展了锆基合金在航空航天工业上的应用范围。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员可根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

实施例1锆基合金以ZrTiAlNb-1锆基合金标记。采用商用工业纯金属原料，按照质量百分比：锆40％、钛54％、铝3.5％、铌2.5％进行配比，对原材料进行表面酸洗去氧化处理，随后先后用弱碱性溶液，无水乙醇清洗，最后采用超声波仪器去除表面残留物，最后用烘干箱快速烘干，保持干燥。将原料压成电极，放入自耗型熔炼炉中熔炼。炉腔内采用分级抽真空的方式达到10-5级真空度，充入惰性气体形成保护气氛。合金铸锭需经多次熔炼过程，保证熔炼均匀。合金铸锭在进一步加工前，需在保护气氛下，经高温长时间均匀化退火，使合金铸锭成分进一步均匀。退火温度为950℃，保温时间3小时，冷却方式选择随炉冷却。将准备好的锆合金铸锭放入箱式电阻炉中预热，加热温度至650℃，保温40分钟，随后将合金铸锭快速放入双辊轧机中开始轧制塑性变形。单道次轧制压下量10％，总轧制压下量70％。每道次轧制后，将锆基合金板材上下翻转，放入电阻炉中保温，保温时间3分钟，以免保温时间过长造成锆基合金组织发生不可控变化。因本工艺合金性能对合金组织敏感，因此在轧制塑性变形以后将锆基合金板材浸入冷却液中淬火，完成最终工艺。随后将实施例1进行拉伸实验，获得其性能数据结果，具体见表1。

实施例2

实施例2锆基合金以ZrTiAlNb-2锆基合金标记。采用商用工业纯金属原料，按照质量百分比锆45％、钛50％、铝3％、铌2％进行配比，对原材料进行表面酸洗去氧化处理，随后先后用弱碱性溶液，无水乙醇清洗，最后采用超声波仪器去除表面残留物，最后用烘干箱快速烘干，保持干燥。将原料压成电极，放入自耗型熔炼炉中熔炼。炉腔内采用分级抽真空的方式达到10-5级真空度，充入惰性气体形成保护气氛。合金铸锭需经多次熔炼过程，保证熔炼均匀。铸锭在进一步加工前，需在保护气氛下，经高温长时间均匀化退火，使合金铸锭成分进一步均匀。退火温度为950℃，保温时间3小时，冷却方式选择随炉冷却。将准备好的锆基合金铸锭放入箱式电阻炉中预热，加热温度至750℃，保温40分钟，随后将锆基合金铸锭快速放入双辊轧机中开始轧制塑性变形。单道次轧制压下量10％，总轧制压下量70％。每道次轧制后，将锆基合金板材上下翻转，放入电阻炉中保温，保温时间3分钟，以免保温时间过长造成合金组织发生不可控变化。因本工艺合金性能对合金组织敏感，因此在轧制塑性变形以后将锆基合金板材浸入冷却液中淬火，完成最终工艺。随后将实施例2进行拉伸实验，获得其性能数据结果，具体见表1。

表1经本发明锆钛合金及对比合金的拉伸性能测试结果