CN115725875A - 一种低熔点Zr-2.5Nb合金材料和合金制品 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低熔点Zr‑2.5Nb合金材料和合金制品，按重量百分比计，所述合金材料包括不大于5％的Nb，还包括Pt、Si、Ag、Au、Cu、Ga、Zn、In、Al、Fe、Ti、Sn和Mo中的至少一种，且各组分的重量百分比为：Pt≤5.0％、Si≤5.0％、Ag≤5.0％、Au≤5.0％、Cu≤5.0％、Ga≤5.0％、Zn≤5.0％、In≤5.0％、Al≤5.0％、Fe≤5.0％、Ti≤5.0％、Sn≤5.0％、Mo≤5.0％，其余为Zr。本发明的合金材料具有较低的熔点，能够显著降低Zr‑2.5Nb合金的熔炼难度，且在生物安全性方面具有明显的优势。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地，涉及一种低熔点Zr-2.5Nb合金材料和合金制品。
背景技术
传统Zr-2.5Nb合金具备良好的耐腐蚀性、生物相容性和较低的热中子截面等特性，被广泛应用于医用材料、核电材料、工程结构材料等领域。但是传统Zr-2.5Nb的合金熔点高达1820℃，因此生产传统Zr-2.5Nb合金产品具有冶炼难度大、浇铸模具烧损严重，耗能高、排放高等缺点。
经过检索发现：
申请公开号为CN115198160A的中国发明专利，公开一种基于高活性元素的共晶高熵合金及其应用，该共晶高熵合金由Ti、Zr、Nb和Ni元素组成。共晶高熵合金的熔铸熔体，可在恒温下同时结晶出成分和结构皆不相同的金属间化合物相和固溶体相；金属间化合物相和固溶体相共同构成共晶组织；金属间化合物相富含Ti、Zr、Ni元素，主要由Ti与Ni以及Zr与Ni化合形成；固溶体相富含Nb元素，包括少量固溶到Nb基底的Zr、Ni等元素。该共晶高熵合金含典型的片层状共晶组织，熔点和凝固点都在1000℃左右。但是，该专利仍存在以下问题：加入的合金元素含量过多，形成大量共晶，并不适合复杂加工工艺，应用面狭窄；该专利在材料中加入大量人体致敏元素Ni，并不适用于医用领域。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低熔点Zr-2.5Nb合金材料和合金制品。
根据本发明的第一方面，提供一种多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，按重量百分比计，所述合金材料包括不大于5％的Nb，还包括Pt、Si、Ag、Au、Cu、Ga、Zn、In、Al、Fe、Ti、Sn和Mo中的至少一种，且各组分的重量百分比为：Pt≤5.0％、Si≤5.0％、Ag≤5.0％、Au≤5.0％、Cu≤5.0％、Ga≤5.0％、Zn≤5.0％、In≤5.0％、Al≤5.0％、Fe≤5.0％、Ti≤5.0％、Sn≤5.0％、Mo≤5.0％，其余为Zr。
进一步地，所述合金材料还包括杂质元素，杂质元素含量≤0.10％。
进一步地，所述合金材料的熔点为1320～1770℃。
进一步地，按重量百分比，每增加1％Pt、1％Si、1％Ag和1％Au中的任一种，合金材料的熔点降低30～50℃。
进一步地，按重量百分比，每增加1％Cu、1％Ga、1％Zn、1％In、1％Al、1％Fe、1％Ti、1％Sn和1％Mo的任一种，合金材料的熔点降低10～30℃。
根据本发明的第二方面，提供一种低熔点Zr-2.5Nb合金制品，其该合金制品利用上述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料制成。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
1、本发明的低熔点Zr-2.5Nb合金材料和合金制品，通过多合金元素对传统Zr-2.5Nb合金进行掺杂，并通过各组分之间相互配合作用，能够有效降低合金材料的熔点，从而能够显著降低Zr-2.5Nb合金的熔炼难度，保护模具、提升成品率，节约能源、降低排放。
2、由于本发明掺杂的元素含量均较低，不会对主体组织产生很大的影响，因此，本发明在大幅度降低Zr-2.5Nb合金熔点的前提下，同时在加工性能和生物安全性方面具有明显的优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中每增加1％wtAu，Zr-2.5Nb合金熔点下降情况；
图2为本发明一实施例中每增加1％wt Cu，Zr-2.5Nb合金熔点下降情况；
图3为本发明对比例中Zr-2.5Nb合金的熔点结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，按重量百分比计，该合金材料包括不大于5％的Nb，还包括Pt、Si、Ag、Au、Cu、Ga、Zn、In、Al、Fe、Ti、Sn和Mo中的至少一种，且各组分的重量百分比为：Pt≤5.0％、Si≤5.0％、Ag≤5.0％、Au≤5.0％、Cu≤5.0％、Ga≤5.0％、Zn≤5.0％、In≤5.0％、Al≤5.0％、Fe≤5.0％、Ti≤5.0％、Sn≤5.0％、Mo≤5.0％，其余为Zr。
上述合金材料还包括杂质元素，按重量百分比计，杂质元素含量≤0.10％。上述多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其熔点为1320～1770℃，比传统Zr-2.5Nb合金的熔点低50～500℃。
按重量百分比，每增加1％Pt、1％Si、1％Ag和1％Au中的任一种，合金材料的熔点降低30～50℃，经实测相图推算，每增加1％wtAu，Zr-2.5Nb合金材料熔点下降情况见图1，Zr-2.5Nb合金材料的熔点y与掺杂的Au元素的重量百分比x之间的关系为：y＝-30.175x+1858.5。为了不改变合金材料的组成相，避免对主体结构产生较大的影响，因此，Au以及上述Pt、Si、Ag的重量百分比均不超过5.0％。
根据掺杂的元素在Zr-2.5Nb合金中的热力学表现，不同元素对Zr-2.5Nb合金熔点的影响不同。按重量百分比；每增加1％Cu、1％Ga、1％Zn、1％In、1％Al、1％Fe、1％Ti、1％Sn和1％Mo的任一种，合金材料的熔点降低10～30℃，经计算相图推算，每增加1％wt Cu，Zr-2.5Nb合金材料熔点下降情况见图2，Zr-2.5Nb合金材料的熔点y与掺杂的Cu元素的重量百分比x之间的关系为：y＝-29.211x+1862.7。为了不改变合金材料的组成相，避免对主体结构产生较大的影响，因此，Cu以及上述Ga、Zn、In、Al、Fe、Ti、Sn、Mo的重量百分比均不超过5.0％。
以未掺杂的Zr-2.5Nb合金作为对比例，其中对比例中的Zr-2.5Nb合金材料的组分包括：2.4～2.8％Nb，其余为Zr和少量杂质元素＜0.3％。对比例的熔点测试结果如图3所示，图中横坐标为温度，纵坐标为质量分数，三条曲线分别代表不同的析出相，终熔点可在横坐标上查看液相质量分数为100％时对应的值得到，图3显示该未掺杂的Zr-2.5Nb合金的熔点为1835℃左右，可见对比例中的Zr-2.5Nb合金的熔点相较于本申请组分的Zr-2.5Nb合金的熔点较高。
上述多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，由于掺杂的元素含量均较低，不会对主体组织产生很大的影响，同时能够有效降低Zr-2.5Nb合金材料的熔点，因此，具有上述实施例中配方的Zr-2.5Nb合金材料，在大幅度降低Zr-2.5Nb合金熔点的前提下，在加工性能和生物安全性方面具有明显的优势，可应用于医用材料、核电材料、工程结构材料等领域，且上述合金材料可用于任一冶金加工方式制造铸件、铸锭或其他形式的工件。
本发明上述实施例中的Zr-2.5Nb合金材料，通过多合金元素对现有Zr-2.5Nb合金进行掺杂，并通过各组分之间相互配合作用，能够有效降低Zr-2.5Nb合金材料的熔点，从而能够显著降低Zr-2.5Nb合金的熔炼难度，保护模具、提升成品率，节约能源、降低排放，具有突出的经济效益和社会效益。
本发明另一实施例提供一种低熔点Zr-2.5Nb合金制品，该合金制品利用上述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料制成。
在一具体实施方式中，以铸件为例，该低熔点Zr-2.5Nb合金制品的制备方法，包括：
S1，按成分配比提供各组分原料，具体地，选择重量百分不低于含量为99.0％的各种原材料，按设计的重量百分比0.0～5.0％Pt，0.0～5.0％Si，0.0～5.0％Ag，0.0～5.0％Au，0.0～5.0％Cu，0.0～5.0％Ga，0.0～5.0％Zn，0.0～5.0％In，0.0～5.0％Al，0.0～5.0％Fe，0.0～5.0％Ti，0.0～5.0％Sn，0.0～5.0％Mo，0.0～5.0％Nb，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为Zr的配比，盛装在耐火材料坩埚中，并放在中频真空感应熔炉中；
S2，将中频真空感应熔炉内的真空抽至预设压力，具体地，依次打开罗茨泵、扩散泵将真空抽至10-5Pa以下，逐步增加中频真空感应炉的功率，待任一组分原料(元素)开始熔化时，减缓增加中频真空感应炉功率的速度，利用已熔化原料和其它原料之间的反应，将整个合金材料熔化；
S3，再提高中频真空感应炉功率的功率，保证浇铸时合金流动性较好，然后浇铸到已经预热的模具中，等合金熔液冷却后，取出铸件，得到多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金产品。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (6)
1.一种多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述合金材料包括不大于5％的Nb，还包括Pt、Si、Ag、Au、Cu、Ga、Zn、In、Al、Fe、Ti、Sn和Mo中的至少一种，且各组分的重量百分比为：Pt≤5.0％、Si≤5.0％、Ag≤5.0％、Au≤5.0％、Cu≤5.0％、Ga≤5.0％、Zn≤5.0％、In≤5.0％、Al≤5.0％、Fe≤5.0％、Ti≤5.0％、Sn≤5.0％、Mo≤5.0％，其余为Zr。
2.根据权利要求1所述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其特征在于，所述合金材料还包括杂质元素，杂质元素含量≤0.10％。
3.根据权利要求1所述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其特征在于，所述合金材料的熔点为1320～1770℃。
4.根据权利要求1所述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其特征在于，按重量百分比，每增加1％Pt、1％Si、1％Ag和1％Au中的任一种，合金材料的熔点降低30～50℃。
5.根据权利要求1所述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料，其特征在于，按重量百分比，每增加1％Cu、1％Ga、1％Zn、1％In、1％Al、1％Fe、1％Ti、1％Sn和1％Mo的任一种，合金材料的熔点降低10～30℃。
6.一种低熔点Zr-2.5Nb合金制品，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的多合金元素掺杂的低熔点Zr-2.5Nb合金材料制成。
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