CN108251697B - 一种耐低温高强高韧合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐低温高强高韧合金。该合金由Zr、Co、Al和Ni四种元素组成，Co、Al和Ni元素的质量百分比分别为35.50~37.50%、2.00~3.00%和1.50~2.50%，余量为Zr。该合金的制备方法包含两步：首先，将Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10‑3 Pa的电弧炉中进行反复熔炼，得到成分均匀的Zr‑Co‑Al‑Ni母合金；然后，将母合金铸锭再次熔化和采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到圆柱状Zr‑Co‑Al‑Ni合金材料。室温下，该合金的极限压缩强度≥1.85GPa，极限压缩应变≥16%；液氮温度下，该合金的压缩极限强度≥1.93GPa，极限压缩应变≥21%。本发明的新型合金在低温下具有高强高韧的综合力学性能，且制备工艺相对简单，在低温极端条件下的工程材料领域具有广泛的应用前景。

Description

一种耐低温高强高韧合金
技术领域
本发明涉及一种耐低温高强高韧合金，属于低温极端条件下的工程材料技术领域。
背景技术
材料的力学性能会随着环境温度而发生改变，在不同环境温度下运行的仪器设备必须要考虑材料的适应性。在国防军工、航天工程、石油气深冷分离、液化气体储运等领域的低温环境中，机械装备所用的工程结构材料必须面对-20℃至-269℃极端低温环境条件。随着科技和经济的迅猛发展，上述领域对低温环境服役材料的性能要求日益提高，市场需求也日益增大。
低温用金属材料必须具备良好的加工性、足够的低温强度与韧性等性能特点，目前实际工程应用的低温材料主要包括低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬-锰或铬-锰-镍奥氏体钢以及铬-镍奥氏体不锈钢等低温钢。低合金钢一般在-100℃左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9％镍钢广泛应用于-196℃的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。但是，由于它含铬、镍较多，因而价格昂贵。
由于面心立方晶格金属的韧性与温度没有多大关系，故通常选择面心立方晶格金属（奥氏体钢、铝、铜等）作为低温结构材料；但面心立方金属的强度不够高，尤其是从常温到低温发生温度变化的环境中，要保证材料在常温和低温下同时具有优异的力学性能，面心立方金属难以满足实际需求。对于非面心立方金属，细化晶粒和合理的合金化均有助于提高其韧性等低温力学性能。通过合金化、晶粒细化和新材料开发等途径寻找适应低温环境工作的高性能材料，一直是材料领域的前沿课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐低温高强高韧合金，该合金包括Zr、Co、Al和Ni四种元素，Co元素的质量百分比为35.50~37.50%；Al元素的质量百分比为2.00~3.00%；Ni元素的质量百分比为1.50~2.50%；Zr元素的质量百分比为余量。
本发明所述耐低温高强高韧合金按常规方法制备得到，具体包括以下步骤：（1）将精确配置的Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr-Co-Al-Ni母合金；（2）将母合金铸锭再次熔化采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr-Co-Al-Ni合金棒材。
本发明所述耐低温高强高韧合金在石油气深冷分离设备等低温领域具有广泛应用前景。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述耐低温高强高韧合金在室温下，该合金的极限压缩强度 ≥1.85GPa，极限压缩应变 ≥ 16%；液氮温度（-196℃）下，该合金的压缩极限强度 ≥1.93GPa，极限压缩应变 ≥ 21%。
（2）本发明的新型合金成分简单、原料丰富、用途广泛，在低温下具有高强高韧的综合力学性能，且制备工艺相对简单、成本较为低廉，在低温极端条件下的工程材料领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的金相组织；
图2为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的室温（20℃）压缩工程应力-应变曲线；
图3为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的液氮温度（-196℃）压缩工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为61.00%、35.50%、2.00%和1.50%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr61Co35.5Al2Ni1.5母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr61Co35.5Al2Ni1.5合金棒材，其金相组织如图1(a)所示。由图可以看出合金具有非常细小的晶粒，有助于其在室温和低温均获得优异的综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(a)、图3(a)和表1所示。
实施例2
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为59.00%、36.50%、2.50%和2.00%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr59Co36.5Al2.5Ni2母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr59Co36.5Al2.5Ni2合金棒材，其金相组织如图1(b)所示。由图可以看出，相对于实施例1，随着Co、Al、Ni合金元素含量的增加，合金组织粗化，导致合金的综合力学性能下降；但是，合金组织中树枝晶的形成及晶粒间第二相的析出有助于合金获得良好的低温综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(b)、图3(b)和表1所示。
实施例3
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为57.00%、37.50%、3.00%和2.50%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr57Co37.5Al3Ni2.5母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr57Co37.5Al3Ni2.5合金棒材，其金相组织如图1(c)所示。由图可以看出，相对于实施例1和实施例2，随着Co、Al、Ni合金元素含量的继续增加，合金组织进一步粗化，导致合金的综合力学性能继续下降；但合金组织中树枝晶间第二相的析出量继续增加，这有助于合金仍获得良好的低温综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(c)、图3(c)和表1所示。
表1新型Zr-Co-Al-Ni耐低温合金的室温和低温压缩力学性能检测数据
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。

Claims (1)

1.一种耐低温高强高韧合金，其特征在于：该合金包括Zr、Co、Al和Ni四种元素，Co元素的质量百分比为35.50~37.50%；Al元素的质量百分比为2.00~3.00%；Ni元素的质量百分比为1.50~2.50%；Zr元素的质量百分比为余量；
所述耐低温高强高韧合金由以下方法制备得到：（1）将精确配置的Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr-Co-Al-Ni母合金；（2）将母合金铸锭再次熔化采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr-Co-Al-Ni合金棒材。
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