CN104018104A - 一种降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法，其高强度锆合金的化学成分的wt％为：Zr40.0-55.0、Ti35.0-52.0、Al4.0-6.0和V2.5-4.5；将上述成分的锆合金坯料表面涂覆高温抗氧化剂，放入加热炉中在950～1000℃保温1～2小时；将加热后的锆合金坯料放在锻压机上以<0.005s-1的速率进行预变形，变形温度为950～1000℃，压下量为5％～10％；对上述锆合金继续变形，变形速率为0.5～5s-1，变形温度为875～975℃，总的累积真应变量大于1.6。本发明不仅减少锆合金在锻造过程中的变形抗力，提高锆合金热加工塑性变形的能力，而且可以细化锆合金β相晶粒尺寸，提高锆合金锻件的力学性能。

Description

一种降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法
技术领域
本发明属于合金热加工技术领域，特别涉及一种锆合金的热加工方法， 
背景技术
锆合金具有较低的原子热中子吸收截面，适中的强度和延展性，良好的耐蚀性能，在辐照环境中具有长期的尺寸稳定性，并且与核燃料和冷却剂具有优异的相容性，因此被广泛用作核反应堆的堆芯结构材料和核燃料包壳材料。经过数十年的发展，已形成Zr-2、Zr-4、Zr-1Nb、Zr-2.5Nb、Zr-2.5Nb-0.5Cu和Zr-Nb-Sn-Fe、Zr-Sn-Nb-Fe-Cr等系列合金。这些核工业应用的锆合金强度偏低，其抗拉强度不超过800MPa，并不能用作高强度的航空航天结构材料。为了拓宽锆合金的应用领域，中国专利(201110159185.7)以传统的Ti-6Al-4V合金为参照，利用Zr替代部分Ti设计发展了一系列Zr-Ti-Al-V合金，这些锆合金具有非常高的强度和良好的塑性，可以满足航空航天结构材料强度与塑性的要求。但是，锆合金锻坯的热加工性能以及锻件的力学性能与锻造工艺密切相关，我们发现在相同的锻造工艺下47Zr-45Ti-5Al-3V锆合金的锻造变形抗力是传统核工业应用锆合金的5.0～7.0倍，是Ti-6Al-4V合金2.5～3.5倍，非常高的锻造变形抗力将不可避免地降低合金的热加工性能，因此高强度锆合金的锻造工艺方法已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、能够提高锆合金锻件的力学性能的降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法。 
本发明的技术方案如下： 
(1)高强度锆合金的化学成分的wt％为：Zr40.0-55.0、Ti35.0-52.0、Al4.0-6.0和V2.5-4.5； 
(2)锻造加热：将上述成分的锆合金坯料表面涂覆高温抗氧化剂，放入加热炉中在950～1000℃保温1～2小时； 
(3)预变形：将步骤(2)加热后的锆合金坯料放在锻压机上以非常低的速率(<0.005s-1)进行预变形，变形温度为950～1000℃，压下量为5％～10％； 
(4)反复多向大塑性变形：对步骤(3)的锆合金继续变形，变形速率为0.5～5s-1，变形温度为875～975℃，总的累积真应变量大于1.6。 
本发明与现有技术相比具有如下优点： 
1、工艺简单、操作方便。 
2、可以细化高强度锆合金β晶粒，提高锆合金的力学性能，并降低锻造过程中的变形抗力。 
附图说明
图1为本发明实施例1的47Zr-45Ti-5Al-3V锆合金在不同变形温度和应变速率下的高温流变曲线图。 
图2为本发明实施例1的47Zr-45Ti-5Al-3V锆合金应力降幅值与变形温度和应变速率的关系图。 
图3为本发明实施例1的47Zr-45Ti-5Al-3V锆合金的低应变速率条件下少量塑性变形对随后高应变速率变形时流变应力曲线图。 
具体实施方式
实施例1： 
将47Zr-45Ti-5Al-3V锆合金坯料表面涂覆KOC-15高温抗氧化剂，放入980℃加热炉中保温1小时，取出后立即放在锻压机上以0.001s-1的应变速率进行预 变形，始锻温度为980℃，压下量为8％，然后再以1s-1的应变速率进行反复多向大塑性变形，终锻温度控制在900℃，总的累积真应变量为2.5，在该热加工工艺下锻造的变形抗力降低32％。 
如图1所示，高强度锆合金在低温高应变速率变形条件下存在明显的应力降现象；如图2所示，高强度锆合金应力降的幅值随变形温度的降低和应变速率的增加而增加；如图3所示，高强度锆合金在低应变速率条件下进行少量的塑性变形可以显著地降低随后高应变速率变形时的流变应力。 
实施例2： 
将55Zr-36Ti-4.5Al-4.5V锆合金坯料表面涂覆KOC-15高温抗氧化剂，放入1000℃加热炉中保温2小时，取出后立即放在锻压机上以0.001s-1的应变速率进行预变形，始锻温度为1000℃，压下量为10％，然后再以0.5s-1的应变速率进行反复多向大塑性变形，终锻温度控制在930℃，总的累积真应变量为2.3，在该热加工工艺下锻造的变形抗力降低30％。 
实施例3： 
将41Zr-51Ti-5.5Al-2.5V锆合金坯料表面涂覆KOC-15高温抗氧化剂，放入950℃加热炉中保温1.5小时，取出后立即放在锻压机上以0.001s-1的应变速率进行预变形，始锻温度为950℃，压下量为5％，然后再以5s-1的应变速率进行反复多向大塑性变形，终锻温度控制在875℃，总的累积真应变量大于2.8，在该热加工工艺下锻造的变形抗力降低38％ 。 

Claims (1)

1.一种降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法，其特征在于：
(1)高强度锆合金的化学成分的wt％为：Zr40.0-55.0、Ti35.0-52.0、Al4.0-6.0和V2.5-4.5；
(2)将上述成分的锆合金坯料表面涂覆高温抗氧化剂，放入加热炉中在950～1000℃保温1～2小时；
(3)将步骤(2)加热后的锆合金坯料放在锻压机上以<0.005s-1的速率进行预变形，变形温度为950～1000℃，压下量为5％～10％；
(4)对步骤(3)的锆合金继续变形，变形速率为0.5～5s-1，变形温度为875～975℃，总的累积真应变量大于1.6。
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