CN105463253A - 一种低膨胀系数的锆合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低膨胀系数锆合金，它的化学成分原子百分比为：Al2～5、Nb1～3，其余为Zr元素。上述低膨胀系数锆合金的制备方法主要是将原料混合均匀后放置在真空非自耗感应熔炼炉中熔炼，将反复熔炼的铸锭进行高温均匀化退火，然后在箱式电阻炉中加热后对其进行多道次轧制变形，直至合金锭变形量达到70％，在进行完最后一道次轧制变形后，将所得的合金板材放置于大气中冷却至室温，然后将合金板材表面进行扒皮和表面修磨制得低膨胀系数锆合金。本发明制备方法简便易操作，制得的锆合金热膨胀系数低，具有耐腐蚀、抗辐射和低密度等优良的力学和理化性能。

Description

一种低膨胀系数的锆合金及其制备方法
技术领域本发明属于材料技术领域，特别涉及一种锆合金及其制备方法。
背景技术在航空航天，精密仪器等领域中经常会涉及到结构件使用温度的变化。而各种材料在使用过程中由于温度环境的变化而发生的热胀冷缩现象很大程度的破坏了各个结构部件之间的协调机制，进而使结构部件的服役性能和可靠性能大大降低。例如，在航空航天领域中，航天器的各种结构件要在－60度到+80度的交变温度下服役，不同材料的热膨胀系数的不同会导致结构件之间产生交变的内应力(反复在过渡配合、过盈配合和间隙配合之间转变)，使得结构件的可靠性寿命大大降低。因此，热胀冷缩现象的消除成为了当今科学家亟待解决的问题。低膨胀系数合金的开发应用可以提升精密器件的尺寸稳定性，延长材料的使用寿命，提高经济和社会效益，因此具有广泛的应用前景。
发明内容本发明的目的在于提供一种制备方法简便、易操作、具有耐腐蚀、抗辐射和低密度等优良的低膨胀系数的锆合金及其制备方法。本发明主要是以锆基合金体系为研究对象，通过添加合金元素铝(Al)和铌(Nb)以及进行热加工处理，制备出具有低膨胀系数的新型锆基合金。
本发明的低膨胀系数的锆合金的化学成分原子百分比为：Al2～5、Nb1～3，其余为Zr元素。
上述锆合金的制备方法：
(1)原材料的预处理：对原材料进行打磨并用超声波清洗，最后用吹风机吹干。
(2)铸锭：将步骤(1)的原材料混合均匀放入真空非自耗熔炼炉中熔炼五遍，真空度为5×10-3Pa，熔炼温度为2000～2200℃，每次时间5～10分钟，以保证得到成分均匀的ZrAlNb合金锭。
(3)退火：将步骤(2)的铸锭放置到真空管式电阻炉中加热至900～1000℃保温2～4小时，之后随炉冷却至室温，使合金锭的成分更加均匀化。
(4)热处理：将步骤(3)经过均匀化退火的合金锭放入箱式电阻炉中并将箱式电阻炉加热至800～900℃，保温30分钟，随后将合金锭快速转移到两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在上述温度保温3～5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的15％左右，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到低膨胀系数锆合金。
合金热膨胀系数的高低主要依赖于合金组成元素本身的热膨胀系数及合金组成相的种类和含量。该低膨胀系数的锆合金的获得方法主要是通过添加少量的热膨胀系数较小且能够有效改善合金力学性能的合金元素，并辅助适当的热处理工艺获得合适比例的高温β相和低温α相的混合相，从而获得具有较好力学性能的低膨胀系数的锆合金。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、制备方法简便易操作。
2、所得的锆合金热膨胀系数低，用其制备的结构件在交变温度条件下服役时，其尺寸及性能更加稳定。
3、制得的锆合金具有耐腐蚀、抗辐射和低密度等优良的力学和理化性能。
附图说明
图1为本发明实施例1、2和3制备的锆合金的X射线衍射图。
图2为本发明实施例2制备的ZrAl3Nb2合金的电镜图。
具体实施方式
实施例1
用工业级海绵Zr、纯Al及纯Nb按成分ZrAl2Nb1(原子比)进行配料，用超声波清洗，再用吹风机干燥；将混合均匀的原材料放入真空非自耗熔炼炉(真空度为5×10-3Pa)中熔炼五遍，熔炼温度为2100℃，每次时间8分钟，以保证得到成分均匀的ZrAl2Nb1合金锭。将熔炼好的铸锭放置到真空管式电阻炉中加热至950℃保温3小时，之后随炉冷却，使合金锭的成分更加均匀化。将经过均匀化退火的ZrAl3Nb2合金锭放入箱式电阻炉中并将箱式电阻炉加热至800℃，使合金锭在该加热温度下保温30分钟，随后将合金锭快速转移到两辊平面轧机上进行多道次轧制变形。第一次轧制完成后在以上温度保温4分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的15％左右，最后使合金锭变形量达到70％。在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到低膨胀系数的ZrAl2Nb1合金。
如图1所示，可看出ZrAl2Nb1合金为α相和微量β相所组成的混合相。
将制得的ZrAl2Nb1合金在－60～+80℃的温度区间检测其热膨胀系数，与合金9Cr18和TC4相比，ZrAl2Nb1合金的热膨胀系数降低了36.07％和25.85％。具体数据见表1。
实施例2
用工业级海绵Zr，纯Al及纯Nb按成分ZrAl3Nb2(原子比)进行配料，用超声波清洗，再用吹风机干燥。将混合均匀的原材料放入真空非自耗熔炼炉(真空度为5×10-3Pa)中熔炼五遍，熔炼温度为2000℃，每次时间10分钟，以保证得到成分均匀的ZrAl3Nb2合金锭。将熔炼好的铸锭放置到真空管式电阻炉中加热至900℃保温4小时，之后随炉冷却，使合金锭成分更加均匀化。将经过均匀化退火的ZrAl3Nb2合金锭放入箱式电阻炉中并将箱式电阻炉加热至850℃，使合金锭在该加热温度下保温30分钟，随后将合金锭快速转移到两辊平面轧机上进行多道次轧制变形。第一次轧制完成后在以上温度保温5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的15％左右，最后使合金锭变形量达到70％。在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到低膨胀系数的ZrAl3Nb2合金。
如图1所示，可看出ZrAl3Nb2合金为α相和少量β相所组成的混合相。如图2所示，基体为板条状的α相，细小的β相均匀分布在α晶粒边界处。
将制得的ZrAl3Nb2合金在－60～+80℃的温度区间检测其热膨胀系数，与合金9Cr18和TC4相比，ZrAl3Nb2合金的热膨胀系数降低了32.75％和22％。具体数据见表1。
实施例3
用工业级海绵Zr，纯Al及纯Nb按成分ZrAl5Nb3(原子比)进行配料，用超声波清洗，再用吹风机干燥。将混合均匀的原材料放入真空非自耗熔炼炉(真空度为5×10-3Pa)中熔炼五遍，熔炼温度为2200℃，每次时间5分钟，以保证得到成分均匀的ZrAl5Nb3合金锭。将熔炼好的铸锭放置到真空管式电阻炉中加热至1000℃保温2小时，之后随炉冷却，使合金锭成分更加均匀化。将经过均匀化退火的ZrAl5Nb3合金锭放入箱式电阻炉中并将箱式电阻炉加热至900℃，使合金锭在该加热温度下保温30分钟，随后将合金锭快速转移到两辊平面轧机上进行多道次轧制变形。第一次轧制完成后在以上温度保温3分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的15％左右，最后使合金锭变形量达到70％。在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到低膨胀系数的ZrAl5Nb3合金。
如图1所示，可看出ZrAl5Nb3合金为α相和β相所组成的混合相。
将制得的ZrAl5Nb3合金在－60～+80℃的温度区间检测其热膨胀系数，与合金9Cr18和TC4相比，ZrAl5Nb3合金的热膨胀系数降低了30.3％和19.16％。具体数据见表1。
表1：实施例1、2、3制得的锆合金及对比合金的热膨胀系数测试结果

Claims (2)

1.一种低膨胀系数的锆合金，其特征在于：它的化学成分原子百分比为：Al2～5、Nb1～3，其余为Zr元素。
2.权利要求1的锆合金的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)预处理：对原材料进行打磨并用超声波清洗，最后用吹风机吹干；
(2)铸锭：将步骤(1)的原材料混合均匀放入真空非自耗熔炼炉中熔炼五遍，真空度为5×10-3Pa，熔炼温度为2000～2200℃，每次时间5～10分钟，以保证得到成分均匀的ZrAlNb合金锭；
(3)退火：将步骤(2)的铸锭放置到真空管式电阻炉中加热至900～1000℃保温2～4小时，之后随炉冷却至室温，使合金锭的成分更加均匀化；
(4)热处理：将步骤(3)经过均匀化退火的合金锭放入箱式电阻炉中并将箱式电阻炉加热至800～900℃，保温30分钟，随后将合金锭快速转移到两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在上述温度保温3～5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的15％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到低膨胀系数锆合金。
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