CN101984114A - 一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金 - Google Patents
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Abstract
一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金，属于新材料技术领域。其特征在于：它包括Zr、Ti和Nb元素，其合金成分的重量百分比为Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb。材料性能指标分别为：弹性模量E＝52-66GPa，屈服强度σ0.2＝560-780MPa，抗拉强度σb＝580-810MPa，伸长率ε＝5-15％，断面收缩率ψ＝41-70％。本发明的效果和益处是在保证合金具有单一β-Zr结构且性能良好的前提下，发展出一种具有低弹性模量、高强度、塑性较好、且低成本的Zr-Ti-Nb固溶体合金材料，可用作体育器材和生物医用器材。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有低弹性模量和高强度的BCCZr-Ti-Nb固溶体合金材料。
背景技术
Zr合金具有优异的核性能，良好的抗高温和蒸汽腐蚀性能，在水堆运行条件下，有合适的物理、机械性能，并有良好的加工性能，因此Zr合金是水堆中最重要的堆芯结构材料，可用来制作燃料元件包壳管、控制棒导向管、元件格架、容器管及压力管等结构件。同时单相BCC β-Zr合金具有高的比强度、低的弹性模量、高塑性、以及优良的耐蚀和耐磨性能，使其在体育器材和生物医用领域也得到了迅速发展。近年来，美、法、德、俄罗斯以及中国先后开发出多种新型Zr合金，如Zr-Nb和Zr-Mo等。可以看出，这些添加的合金化组元是强稳定BCC β-Zr固溶体结构的组元，如Mo、Nb，这类组元的添加可以使得合金易于获得BCC结构。
从合金材料性能角度而言，研究表明，Mo和Nb都是稳定β-Zr的组元，且Nb比Mo更能够将β-Zr稳定至较低温度。但Mo组元的弹性模量很高，从而会造成合金的高弹性模量；低弹性模量Nb组元的加入可以细化合金的晶粒，改善合金的性能；在现有Zr合金材料中，Zr的含量通常为85wt.％以上，过量Zr的添加会增加材料成本。因此，最佳的合金化组元添加是在保证合金为单一BCCβ-Zr固溶体结构的基础上，即添加尽可能少的高成本Nb组元来稳定β-Zr，同时采用低成本的Ti替代Zr，以获得力学性能较好的合金，从而降低材料成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的在保证合金具有单一β-Zr结构且性能良好的前提下，基体组元Zr含量相对较高的不足，提供一种具有低弹性模量、高强度、塑性较好、低成本的BCC Zr-Ti-Nb固溶体合金材料。
本发明采用的技术方案是：一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金，其特征在于：它包括Zr、Ti、Nb元素，其合金成分的重量百分比为Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb。
实现上述技术方案的构思是：利用我们的“团簇+连接原子”结构模型来设计Zr-Ti-Nb合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)x。在BCC β-Zr合金中，14个Zr原子占据第一壳层形成CN14多面体团簇，同时Zr占据团簇心部位置，溶质原子为连接原子。因此，在Zr-Ti-Nb体系中，Nb与Zr混合焓为正，Nb与Zr原子易分离，故在团簇结构模型中Nb作为连接原子；Ti与Zr为同族组元，混合涵为零，可替代团簇壳层上的Zr。由此给定的团簇成分式为[Zr(Ti，Zr)14]Nb3-5，源自于二元Zr-Nb最低温度β-Zr稳定点成分[ZrZr14]Nb3。根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是主要利用尽可能少含量的Nb在保证合金为单一BCC β-Zr固溶体基础上，增加Ti和降低Zr的含量来获得力学性能好，成本低的的合金。
本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为6mm的合金棒，作为拉伸试验用样品；利用XRD(Cu Ka辐射，λ＝0.15406nm)检测合 金结构；最后利用MTS万能拉伸试验机测试BCC β-Zr合金样品的拉伸力学性能。由此确定出本发明中具有低弹性模量、高强度、塑性较好的低Zr含量的β-Zr合金成分，为Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb(重量百分比)，其力学性能参数范围分别为：弹性模量E＝52-66GPa，屈服强度σ0.2＝560-780MPa，抗拉强度σb＝580-810MPa，伸长率ε＝5-15％，断面收缩率ψ＝41-70％。
本发明的效果和益处是：①在保证Zr合金具有单相β-Zr同时，增加Ti降低Zr的含量，可相对降低材料成本；②Zr-Ti-Nb具有低弹性模量和高强度，是理想的体育器材材料。③Zr-Ti-Nb合金组元都为无毒元素，对人体无害，可作为生物医用材料。
具体实施方式
以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1 Zr81.9Ti1.0Nb17.1合金
步骤一：合金制备
Zr81.9Ti1.0Nb17.1合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti0.4Zr13.6)]Nb3。Zr和Nb纯金属按照给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼3次，得到成分均匀的合金锭；然后将熔炼均匀的合金锭最后熔化，并利用铜模吸铸工艺将熔体吸入圆柱形铜模型腔中，得到直径为6mm的棒材。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝52GPa，σ0.2＝570MPa，σb＝601 MPa，ε＝12.5％，ψ＝51％。
实施例2 Zr79.6Ti3.0Nb17.4合金
步骤一：合金制备
Zr79.6Ti3.0Nb17.4合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti1Zr13)]Nb3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝54GPa，σ0.2＝581MPa，σb＝600MPa，ε＝10％，ψ＝52％。
实施例3 Zr59.2Ti20.7Nb20.1合金
步骤一：合金制备
Zr59.2Ti20.7Nb20.1合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti6Zr8)]Nb3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝60GPa，σ0.2＝567MPa，σb＝579MPa，ε＝11.5％，ψ＝71.6％。
实施例4 Zr54.3Ti25.0Nb20.7合金
步骤一：合金制备
Zr54.3Ti25.0Nb20.7合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti7Zr7)]Nb3。同实施例一中的步 骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝57GPa，σ0.2＝624MPa，σb＝654MPa，ε＝5.8％，ψ＝69.1％。
实施例5 Zr49.1Ti29.5Nb21.4合金
步骤一：合金制备
Zr49.1Ti29.5Nb21.4合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti8Zr6)]Nb3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝65GPa，σ0.2＝780MPa，σb＝795MPa，ε＝8.6％，ψ＝41.7％。
实施例6 Zr68.0Ti8.9Nb23.1合金
步骤一：合金制备
Zr68.0Ti8.9Nb23.1合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti3Zr11)]Nb4。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝63GPa，σ0.2＝583MPa，σb＝612MPa， ε＝13.4％，ψ＝61.3％。
实施例7 Zr71.4Ti2.7Nb25.9合金
步骤一：合金制备
Zr71.4Ti2.7Nb25.9合金，此成分源自团簇式[Zr(Ti1Zr13)]Nb5。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝66GPa，σ0.2＝593MPa，σb＝624MPa，ε＝14.8％，ψ＝63.4％。
Claims (1)
1.一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金，其特征在于：它包括Zr、Ti和Nb元素，其合金成分的重量百分比为Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb。
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