一種高強韌鋯合金及其製備方法與流程
2023-06-26 03:51:16 3
本發明屬於結構材料領域，具體涉及一種高強韌鋯合金及其製備方法。
背景技術：
鋯是一種稀有金屬，具有優異的抗腐蝕性能和極高的熔點(1800℃以上)；鋯具有同質異晶轉變，高溫下的晶體結構為體心立方，低溫下為密排六方；鋯的塑性好，可通過塑性加工製成管材、板材、棒材和絲材，其焊接性也好，可用以進行焊接加工；但是純鋯的室溫抗拉強度很低，不到400MPa，難以滿足結構材料的對力學性能的要求，因此，工業上應用以鋯合金為主。
鋯合金是以鋯為基體加入其他元素而構成的有色合金，主要合金元素有錫、鈮、鐵等。鋯合金在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能、較低的原子熱中子吸收截面，對核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反應堆的堆芯結構材料。鋯對多種酸、鹼和鹽有優良的抗蝕性，與氧、氮等氣體有強烈的親和力，因此鋯合金也用於製造耐蝕部件和製藥機械部件，在電真空和燈泡工業中被廣泛用作非蒸散型消氣劑。另外，鋯具有較低的彈性模量、優異的耐蝕性能和生物相容性。因此鋯合金在航空航天、軍工、核反應、原子能和生物醫用材料領域具有廣泛的應用前景。
工業規模生產的鋯合金有鋯錫系和鋯鈮系兩類，前者合金牌號有Zr-2、Zr-4，後者的典型代表是Zr-2.5Nb。當在純鋯中合金化少量的錫、鈮等元素後，鋯合金的強度可以提高到900MPa，但作為結構材料來說強度還較低，因此需要開發高強度的鋯合金。塊體非晶合金是一種新型金屬材料，不同於晶態合金，其原子排列具有長程無序短程有序的結構特點，因而表現出一系列優於晶態合金的特性。近年來，鋯基非晶合金由於具有高強度(～1600MPa)、高硬度(～450Hv)、低彈性模量(～80GPa)、高斷裂韌性(～60MPa m1/2)和高疲勞抗性等優異的性能而備受關注；然而，室溫下鋯基非晶合金的塑性變形主要依靠高度區域化的剪切帶進行，從而表現出顯著的室溫脆性和應變軟化等特點，限制了其作為結構材料的應用。因此，開發同時具有高強度和高韌性的鋯合金對於其在結構材料領域的應用具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於提供一種高強韌鋯合金及其製備方法，所得鋯合金具有高強度與高韌度的特點，且製備方法簡單易於操作。
本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：該高強韌鋯合金的化學分子式為ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d為原子百分數；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M為Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一種。
進一步地，該高強韌鋯合金的各組成元素的質量百分比純度均≥99.0％。
進一步地，該高強韌鋯合金的壓縮屈服強度為1100～1400MPa，壓縮斷裂強度為1350～1710MPa。
進一步地，該高強韌鋯合金在濃度為1mol/L的HCl中的腐蝕速率小於1μm/年。
與此同時，公開了上述高強韌鋯合金的製備方法，該製備方法包括如下具體操作步驟：
步驟一、配料：按原子百分比稱取ZraAlbCocMd的各組成元素，且各組成元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；
步驟二、熔煉製ZraAlbCocMd的母合金：
將步驟一所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500～2800℃；反覆熔煉4遍或4遍以上，得到ZraAlbCocMd的母合金；
步驟三、ZraAlbCocMd合金鑄錠冷卻：
將步驟二得到的母合金在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，直至母合金由液態冷卻至固態，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的ZraAlbCocMd合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
進一步地，該製備方法還包括步驟四、ZraAlbCocMd合金樣品加工：
將步驟三製得的ZraAlbCocMd合金鑄錠用線切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中間部分，對切割後表面進行研磨拋光後，即得到ZraAlbCocMd合金樣品。
本發明的有益效果在於：
針對目前大部分鋯合金的塑性較好但是強度較低，鋯基非晶合金強度較高但塑性變形能力差的問題，本發明提供了一種具有高強度和高韌度的鋯合金，且具有良好的壓縮塑性變形能力與優異的耐腐蝕性能；同時公開了該高強韌鋯合金的製備方法，整個製備過程簡單易於操作，製備成本低；因此，本發明為結構材料、航空航天、醫療器械等領域拓寬了材料的選擇。
【具體實施方式】
本發明高強韌鋯合金的化學分子式為ZraAlbCocMd，式中：a、b、c、d為原子百分數；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M為Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一種。
其中，高強韌鋯合金的各組成元素的質量百分比純度均≥99.0％；該高強韌鋯合金的壓縮屈服強度為1100～1400MPa，壓縮斷裂強度為1350～1710MPa，其在濃度為1mol/L的HCl中的腐蝕速率小於1μm/年。
上述高強韌鋯合金的製備方法包括如下具體操作步驟：
步驟一、配料：按原子百分比稱取ZraAlbCocMd的各組成元素，且各組成元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；
步驟二、熔煉製ZraAlbCocMd的母合金：
將步驟一所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500～2800℃；反覆熔煉4遍或4遍以上，得到ZraAlbCocMd的母合金；
步驟三、ZraAlbCocMd合金鑄錠冷卻：
讓步驟二得到的母合金在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，直至該母合金由液態冷卻至固態(由液態冷卻至固態所需的冷卻時間一般為20-60秒)，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的ZraAlbCocMd合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
另外，為了使得本發明ZraAlbCocMd合金鑄錠便於後期銷售等市場需求，一般可將其加工成樣品，即本發明還可包括步驟四、ZraAlbCocMd合金樣品加工，具體地，將製得的ZraAlbCocMd合金鑄錠用線切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中間部分，對切割後表面進行研磨拋光後，即得到ZraAlbCocMd合金樣品。
為了更好的對本發明進行闡述說明，申請人例舉了如下實施例。
實施例1
製備化學分子式為Zr50Al10Co35Ni5的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr50Al10Co35Ni5稱量Zr、Al、Co、Ni純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至3×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉5遍，得到Zr50Al10Co35Ni5的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為30秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr50Al10Co35Ni5合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr50Al10Co35Ni5合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1100MPa、斷裂強度1710MPa、塑性變形量18％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.96μm/年。
實施例2
製備化學分子式為Zr50Al10Co35Fe5的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr50Al10Co35Fe5的稱量Zr、Al、Co、Fe純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500℃；反覆熔煉4遍，得到Zr50Al10Co35Fe5的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為30秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr50Al10Co35Fe5合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr50Al10Co35Fe5合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1110MPa、斷裂強度1350MPa、塑性變形量8％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.54μm/年。
實施例3
製備化學分子式為Zr50Al10Co35Cu5的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr50Al10Co35Cu5的稱量Zr、Al、Co、Cu純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至2×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500℃；反覆熔煉6遍，得到Zr50Al10Co35Cu5的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為25秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr50Al10Co35Cu5合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr50Al10Co35Cu5合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1360MPa、斷裂強度1690MPa、塑性變形量9％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.79μm/年。
實施例4
製備化學分子式為Zr48Al8Co38Ni3Fe3的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr48Al8Co38Ni3Fe3的稱量Zr、Al、Co、Ni、Fe純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至3×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉4遍，得到Zr48Al8Co38Ni3Fe3的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為32秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr48Al8Co38Ni3Fe3合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr48Al8Co38Ni3Fe3合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1100MPa、斷裂強度1650MPa、塑性變形量14％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.78μm/年。
實施例5
製備化學分子式為Zr48Al8Co38Ni3Cu3的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr48Al8Co38Ni3Cu3的稱量Zr、Al、Co、Ni、Cu純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2550℃；反覆熔煉6遍，得到Zr48Al8Co38Ni3Cu3的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為50秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr48Al8Co38Ni3Cu3合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr48Al8Co38Ni3Cu3合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1210MPa、斷裂強度1680MPa、塑性變形量15％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.86μm/年。
實施例6
製備化學分子式為Zr48Al8Co38Cu3Fe3的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr48Al8Co38Cu3Fe3的稱量Zr、Al、Co、Cu、Fe純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至4.5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉5遍，得到Zr48Al8Co38Ni3Cu3的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為45秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr48Al8Co38Cu3Fe3合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr48Al8Co38Cu3Fe3合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1180MPa、斷裂強度1570MPa、塑性變形量10％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.62μm/年。
實施例7
製備化學分子式為Zr48Al8Co38Ni2Fe2Cu2的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr48Al8Co38Ni2Fe2Cu2的稱量Zr、Al、Co、Ni、Fe、Cu純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至4×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500℃；反覆熔煉5遍，得到Zr48Al8Co38Ni2Fe2Cu2的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為20秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr48Al8Co38Ni2Fe2Cu2合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr48Al8Co38Ni2Fe2Cu2合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1150MPa、斷裂強度1610MPa、塑性變形量13％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.74μm/年。
實施例8
製備化學分子式為Zr45Ti5Al10Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti5Al10Co40的稱量Zr、Ti、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉5遍，得到Zr45Ti5Al10Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為40秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ti5Al10Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ti5Al10Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1350MPa、斷裂強度1480MPa、塑性變形量2％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.33μm/年。
實施例9
製備化學分子式為Zr45Nb5Al10Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti5Al10Co40的稱量Zr、Nb、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至2×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2800℃；反覆熔煉4遍，得到Zr45Nb5Al10Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為50秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Nb5Al10Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Nb5Al10Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1360MPa、斷裂強度1700MPa、塑性變形量14％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.19μm/年。
實施例10
製備化學分子式為Zr45Ta5Al10Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ta5Al10Co40的稱量Zr、Ta、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至2×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2800℃；反覆熔煉6遍，得到Zr45Ta5Al10Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為60秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ta5Al10Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ta5Al10Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1400MPa、斷裂強度1500MPa、塑性變形量2％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.09μm/年。
實施例11
製備化學分子式為Zr45Ti3Nb3Al9Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti3Nb3Al9Co40的稱量Zr、Ti、Nb、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2500℃；反覆熔煉4遍，得到Zr45Ti3Nb3Al9Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為50秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ti3Nb3Al9Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ti3Nb3Al9Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1340MPa、斷裂強度1650MPa、塑性變形量10％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.21μm/年。
實施例12
製備化學分子式為Zr45Ti3Ta3Al9Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti3Nb3Al9Co40的稱量Zr、Ti、Ta、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至2.5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2650℃；反覆熔煉6遍，得到Zr45Ti3Ta3Al9Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為39秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ti3Ta3Al9Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ti3Ta3Al9Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1370MPa、斷裂強度1490MPa、塑性變形量2％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.17μm/年。
實施例13
製備化學分子式為Zr45Nb3Ta3Al9Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Nb3Ta3Al9Co40的稱量Zr、Nb、Ta、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至5×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉4遍，得到Zr45Nb3Ta3Al9Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為45秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Nb3Ta3Al9Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Nb3Ta3Al9Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1380MPa、斷裂強度1610MPa、塑性變形量7％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.12μm/年。
實施例14
製備化學分子式為Zr45Ti2Nb2Ta2Al9Co40的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti2Nb2Ta2Al9Co40的稱量Zr、Ti、Nb、Ta、Al、Co純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至1×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2700℃；反覆熔煉5遍，得到Zr45Ti2Nb2Ta2Al9Co40的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為30秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ti2Nb2Ta2Al9Co40合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ti2Nb2Ta2Al9Co40合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1340MPa、斷裂強度1600MPa、塑性變形量6％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.20μm/年。
實施例15
製備化學分子式為Zr45Ti2Nb2Ta2Al8Co35Fe2Cu2Ni2的高強韌鋯合金，具體地操作如下：
按原子百分比Zr45Ti2Nb2Ta2Al8Co35Fe2Cu2Ni2的稱量Zr、Ti、Nb、Ta、Al、Co、Fe、Cu、Ni純元素，且各元素的質量百分比純度均不低於99.0％，混合均勻後得熔煉原料，備用；將所得的熔煉原料放入真空冶煉爐中，調節真空冶煉爐的真空室的真空度至2×10-3Pa，並在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2600℃；反覆熔煉4遍，得到Zr45Ti2Nb2Ta2Al8Co35Fe2Cu2Ni2的母合金；讓得到的母合金仍然在質量百分比純度≥99.999％的高純氬氣保護下，利用真空冶煉爐的水冷銅坩堝對該母合金進行冷卻，該母合金由液態到固態的冷卻時間為50秒，然後繼續保持真空冶煉爐的銅坩堝水冷狀態，將母合金在真空冶煉爐內繼續冷卻至室溫後取出，則得組織均勻的Zr45Ti2Nb2Ta2Al8Co35Fe2Cu2Ni2合金鑄錠即所述高強韌鋯合金。
將本實施例製得的Zr45Ti2Nb2Ta2Al8Co35Fe2Cu2Ni2合金鑄錠用線切割方法截取其中間部分的斷面，進行研磨拋光後，採用X射線衍射測試確定晶相，結果表明合金的晶相為ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同時採用掃描電子顯微鏡觀察組織形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均勻彌散分布在ZrCo相晶粒周圍；截取規格為2mm×2mm×4mm的該合金鑄錠試樣，測試其壓縮力學性能，則知該合金鑄錠的屈服強度1330MPa、斷裂強度1640MPa、塑性變形量10％；採用1mol/L的HCl浸泡實驗測試合金鑄錠，得知其腐蝕速率為0.57μm/年。
綜上，本發明各實施例獲得的高強韌鋯合金的力學性能和耐腐蝕性能的參數整理後如下表1所示：
表1高強韌鋯合金的性能參數
且通過上述各實施例可知，本發明能夠獲得含有ZrCo相的Zr-Al-Co合金，並通過在Zr-Al-Co合金中合金化Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一種，來同時提高合金的強度和塑性變形能力；本發明選擇Zr50Al10Co40合金作為基礎成分，該合金為具有ZrCo相和ZrAlCo共晶相的復相材料，由於ZrCo相為B2相結構，在變形過程中能發生馬氏體相變，具有優異的塑性變形能力，ZrAlCo金屬間化合物具有較高的硬度，均勻彌散分布在ZrCo相周圍，能夠起到彌散強化的作用；進一步在該合金基礎上添加Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu元素進行固溶強化，並通過控制合金化元素含量來控制組織結構，起到調控合金力學性能和耐腐蝕性能的作用。
因此，本發明製得的高強韌鋯合金具有高的壓縮屈服強度(1100～1400MPa)和壓縮斷裂強度為(1350～1710MPa)，同時具有良好的壓縮塑性變形性能與優異的耐腐蝕性能；同時公開了該高強韌鋯合金的製備方法，整個製備過程簡單易於操作，僅需要在真空冶煉爐熔煉後直接利用其銅坩堝底部流動的水進行冷卻，避免了現有鋯合金生產中的鍛造、軋制、熱處理等加工工序，大大降低了生產成本；因此，綜合本發明高強韌鋯合金的優良性能，使其為結構材料、航空航天、醫療器械等領域拓寬了材料的選擇，即具有很好的應用前景。