一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法

2023-07-03 20:12:41 2

一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法，應用於金屬材料製備領域。鋯鋁合金的化學成分及其質量百分含量為：3＜Al≤10，0＜B≤0.2，餘量為Zr和不可避免的雜質。鋯鋁合金的製備方法包括步驟：製備中間合金、鑄錠、鍛造、熱處理。本發明通過微合金細化的方法，在鋯鋁合金的製備過程中加入了硼元素，硼是細化鋯鋁合金晶粒尺寸的特效元素，在細化了鋯鋁合金晶粒尺寸的同時，還大幅提高鋯鋁合金的強度和室溫塑性，製備的鋯鋁合金機械加工性能良好，並且具有良好的抗輻射性和耐腐蝕性。
【專利說明】一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種金屬合金晶粒的細化方法，尤其涉及一種鋯鋁合金及其晶粒的細 化方法。

【背景技術】
[0002] 鋯在地殼中的儲量十分豐富，比一般的有色金屬如Cu、Pb、Zn還要多，之所以被成 為"稀有金屬"是因為早期的鋯的提取工藝較為困難和複雜所致。隨著提取工藝的不斷進 步，原料鋯的價格已接近原料鈦。
[0003] 鋯在室溫下為密排六方結構的aZr，當溫度超過863°C時會發生同素異形體轉 變，轉變為體心立方結構的β Zr。鋁的密度為2. 7g/cm3,當鋁的含量增加到3. 2% (質量分 數）或是10% (原子分數）時，鋯鋁合金的室溫和高溫強度都會得到很大的提高。但是Al 在Zr中的溶解度很小，當Al添加量超過溶解度時會形成很多種金屬間化合物，這些金屬間 化合物的存在使得合金的室溫塑性大大降低，從而限制了它的應用。


【發明內容】

[0004] 本發明是提供一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法，解決鋯合金晶粒粗大，室溫塑 性低及熱加工性能差的問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：
[0006] 一種鋯鋁合金，所述鋯鋁合金的化學成分及其質量百分含量為：
[0007] 3 < Al彡10,0 < B彡0. 2,餘量為Zr和不可避免的雜質。
[0008] 本發明的進一步改進在於：所述Al的質量百分含量為4 < AK 10。
[0009] 本發明的進一步改進在於：所述B的質量百分含量為0. 08?0. 12%。
[0010] 本發明還提供了一種上述鋯鋁合金晶粒的細化方法，包括以下步驟：
[0011] a.製備中間合金：將純硼及鋁放入非自耗電弧爐中進行熔煉並添加電磁攪拌，反 復熔煉3次，得到成分均勻的鋁硼中間合金；
[0012] b.鑄錠：將鋁硼中間合金及鋯分別放入真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉溫度為 1200?1400°C，反覆熔煉4次，每次時間為25?35分鐘，得到成分均勻的鋯鋁硼合金鑄 錠；
[0013] c.鍛造：在鋯鋁硼合金鑄錠表面塗覆高溫抗氧化劑，加熱到1050?1150°C，保溫 2-3小時後進行開坯鍛造和精鍛；
[0014] d.熱處理：將精鍛後的鑄錠在管式真空爐中進行最終的退火處理，在750?900°C 的溫度下保溫2?8小時後隨爐冷卻到50°C以下，從爐中取出後在空氣中冷卻。
[0015] 本發明的進一步改進在於：步驟b中所述的鋯為工業級海綿鋯。
[0016] 本發明的進一步改進在於：製備鋁硼中間合金的熔煉溫度為3000°C。
[0017] 由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：
[0018] 本發明通過微合金細化的方法，在鋯鋁合金的製備過程中加入了硼元素，硼作為 細化鋯鋁合金晶粒尺寸的特效元素，硼的加入使得晶粒尺寸細化了幾十倍，當硼的質量分 數為0. 1 %左右時，得到的鋯鋁合金晶粒最為細小，大約為10?30 μm，在細化了鋯鋁合金 晶粒尺寸的同時，還能夠大幅提高鋯鋁合金的強度和室溫塑性，得到的鋯鋁合金機械加工 性能良好，並且具有良好的抗輻射性和耐腐蝕性。本發明的合金可以通過正常的機械冷熱 加工而製得機械產品，可以廣泛應用於航空航天工業及其它工業生產中。
[0019] 本發明在鋯鋁合金加熱保溫過程之前，在鋯鋁合金鑄錠表面塗覆一層高溫抗氧化 劑，防止了鋯元素被氧化。
[0020] 本發明的晶粒細化方法，只需在中間合金的製備過程中加入硼元素即可，工藝流 程簡單，便於操作。
[0021] 本發明的硼元素是以中間體的形式加入鋯中，通過中間合金的熔煉可以使高熔點 (約2300°C )的硼，順利加入到鋯鋁合金中，本發明製備的硼鋁中間合金的熔點僅為800°C 左右，因此在熔煉鋯鋁合金時可以較低的溫度（1200?1400°C即可）進行熔煉，熔煉過程中 鋯、鋁的損失會更少。使熔煉過程變得簡單，且節省了能量，便於操作，得到的鋯合金成分更 加均勻。
[0022] 本發明在鍛造過程中，在鋯鋁硼合金鑄錠表面塗覆高溫抗氧化劑，以及使用 1100 °c左右的溫度加熱，可以保證鋯鋁合金鍛件的質量，鍛造後在經過退火處理就可以形 成能夠機械加工的、可以在工業上應用的機械零件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1本發明實施例所得的鋯鋁合金與原有鋯鋁合金的金相組織對比照片，其中， 圖Ia是原有技術所得的鋯鋁合金ΖΓ-4Α1的金相組織照片，圖Ib是本發明所得的鋯鋁合金 Zr-4Al-0. OlB的金相組織照片；
[0024] 圖2本發明實施例所得的鋯鋁合金與原有鋯鋁合金的金相組織對比照片，其中， 圖2a是原有技術所得的鋯鋁合金Zr-6A1的金相組織照片，圖2b是本發明所得的鋯鋁合金 Zr-6Al-0. IB的金相組織照片；
[0025] 圖3本發明實施例所得的鋯鋁合金與原有鋯鋁合金的金相組織對比照片，其中， 圖3a是原有技術所得的鋯鋁合金Zr-9A1的金相組織照片，圖3b是本發明所得的鋯鋁合金 Zr-9Al-0. 2B的金相組織照片。

【具體實施方式】
[0026] 下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明：
[0027] 實施例1
[0028] 一種鋯鋁合金及其晶粒的細化方法，鋯鋁合金中加入鋁和硼的比例根據所製備的 鋯鋁硼合金的成分配比而定，如製備Zr-4Al-0. 01B，首先用純鋁240g，純硼0. 6g，置於非自 耗電弧感應熔煉爐中，以3000°C的溫度熔煉3遍，熔煉的同時添加電磁攪拌，每次熔煉時間 為lmin，熔煉時間可以根據操作人員的經驗來掌控，得到鋁硼中間合金。然後將工業級海綿 鋯5759. 4g以及上述鋁硼中間合金置於真空懸浮感應熔煉爐中，熔煉4遍，溫度為1400°C， 每次熔煉時間為25min，得到成分均勻的鋯鋁硼合金鑄錠，其中B含量為0. 01%，Al含量為 4%。將熔煉好的直徑為IlOmm的合金坯錠表面塗覆浙江黃巖特種塗料廠生產的"世紀一 號"高溫抗氧化劑，裝入箱式電阻爐中加熱至1050°C，保溫2小時，出爐進行開坯鍛造，先按 30 %的變形量拔長，連續拔長兩次，停止鍛造，待合金錠自然冷卻至室溫後進行表面修整； 將修整好的合金錠表面再塗覆高溫抗氧化劑後裝入箱式爐中加熱至1050°C，保溫2小時出 爐鍛造。仍按30 %的變形量拔長，拔長一次後停止鍛造，待合金自然冷卻至室溫後進行表 面修整，得到直徑為60mm的鍛造合金錠。然後進行精鍛，精鍛加熱前在上述合金錠表面再 塗覆"世紀一號"高溫抗氧化劑後，裝入箱式電阻爐中加熱至1050°C，保溫1. 5小時後出爐 精煅。將直徑60_的合金錠鍛至直徑為48_的合金鍛棒，冷卻後經表面修整和切定尺寸， 得到直徑為46mm的合金鍛棒，再裝入箱式電阻爐中加熱至1050°C，保溫1. 5小時後出爐， 此精鍛過程中用直徑為38mm的摔子，最終精鍛成直徑38mm的圓棒，最後經車削加工成直徑 為33mm的合金棒。在管式真空爐中進行熱處理，先將合金棒放入管式真空爐中，抽真空到 5Pa，在750°C下保溫2小時，此保溫溫度和時間根據Al含量而定，Al含量越大，保溫溫度和 時間越長，保溫後隨爐冷卻到50°C時出爐空冷。經熱處理後的鋯鋁硼合金，通過機械打磨去 除表面抗氧化劑和反應層，加工成拉伸試樣，經測試其力學性能如表1所示。
[0029] 實施例2
[0030] 製備Zr-6Al-0. 1B，首先用純鋁360g、純硼6g置於非自耗電弧感應熔煉爐中以 3000°C的溫度添加電磁攪拌熔煉3遍，每次熔煉時間為lmin，熔煉時間可以根據操作人員 的經驗來掌控，熔煉3遍得到鋁硼中間合金，然後將工業級海綿鋯5634g以及上述鋁硼中間 合金置於真空懸浮感應熔煉爐中，熔煉4遍，溫度為1300°C，每次熔煉時間為30min，得到成 分均勻的鋯鋁硼合金鑄錠，其中B含量為0. 1%，Al含量為6%。將熔煉好的直徑為110_ 的合金坯錠表面塗覆浙江黃巖特種塗料廠的"世紀一號"高溫抗氧化劑，裝入箱式電阻爐中 加熱至Il〇〇°C，保溫2. 5小時，出爐進行開坯鍛造，先按30%的變形量拔長，連續拔長兩次， 停止鍛造，待合金錠自然冷卻至室溫後進行表面修整；將修整好的合金錠表面再塗覆高溫 抗氧化劑後裝入箱式爐中加熱至ll〇〇°C，保溫2小時出爐鍛造。仍按30%的變形量拔長， 拔長一次後停止鍛造，待合金自然冷卻至室溫後進行表面修整，得到直徑為60_的鍛造合 金錠。然後進行精鍛，加熱前在上述合金錠表面再塗覆"世紀一號"高溫抗氧化劑後，裝入 箱式電阻爐中加熱至1100°C，保溫1. 5小時後出爐精煅。將直徑60_的合金錠鍛至直徑 為48mm的合金鍛棒，冷卻後經表面修整和切定尺寸，得到直徑為46mm的合金鍛棒，再裝入 箱式電阻爐中加熱至ll〇〇°C，保溫1. 5小時後出爐，精鍛過程中添加直徑為38mm的摔子，最 終精鍛成直徑38mm的圓棒，最後經車削加工成直徑為33mm的合金棒。在管式真空爐中進 行熱處理，先將合金棒放入管式真空爐中，抽真空到5Pa，在800°C下保溫5小時，此保溫溫 度和時間根據Al含量而定，Al含量越大，保溫溫度和時間越長，保溫後隨爐冷卻到50°C時 出爐空冷。經熱處理後的鋯鋁硼合金，通過機械打磨去除表面抗氧化劑和反應層，加工成拉 伸試樣，經測試其力學性能如表1所示。
[0031] 實施例3
[0032] 製備Zr-9Al-0. 2B，首先用純鋁540g，純硼12g置於非自耗電弧感應熔煉爐中以 3000°C的溫度添加電磁攪拌熔煉3遍，每次熔煉時間為lmin，熔煉時間可以根據操作人員 的經驗來掌控，熔煉後得到鋁硼中間合金，然後將工業級海綿鋯5448g以及上述鋁硼中間 合金置於真空懸浮感應熔煉爐中，熔煉4遍，溫度為1200°C，每次熔煉時間為35min，得到成 分均勻的鋯鋁硼合金鑄錠，其中B含量為0. 2%，Al含量為9%。將熔煉好的直徑為110_ 的合金坯錠表面塗覆浙江黃巖特種塗料廠的"世紀一號"高溫抗氧化劑，裝入箱式電阻爐中 加熱至1150°C，保溫3小時，出爐進行開坯鍛造，先按25 %的變形量拔長，連續拔長兩次， 停止鍛造，待合金錠自然冷卻至室溫後進行表面修整；將修整好的合金錠表面再塗覆"世紀 一號"高溫抗氧化劑後裝入箱式爐中加熱至1150°C，保溫3小時出爐鍛造。仍按25%的變 形量拔長，拔長一次後停止鍛造，待合金自然冷卻至室溫後進行表面修整，得到直徑為70mm 的鍛造合金錠。然後進行精鍛，加熱前在上述合金錠表面再塗覆高溫抗氧化劑後，裝入箱 式電阻爐中加熱至1150°C，保溫2. 5小時後出爐精煅。將直徑70mm的合金錠鍛至直徑為 55mm的合金鍛棒，冷卻後經表面修整和切定尺寸，得到直徑為50mm的合金鍛棒，再裝入箱 式電阻爐中加熱至1150°C，保溫2. 5小時後出爐，精鍛過程中添加直徑為38mm的摔子，最終 精鍛成直徑38mm的圓棒，最後經車削加工成直徑為33mm的合金棒。在管式真空爐中進行 熱處理，先將合金棒放入管式真空爐中，抽真空到5Pa，在900°C下保溫8小時，此保溫溫度 和時間根據Al含量而定，Al含量越大，保溫溫度和時間越長，保溫後隨爐冷卻到50°C時出 爐空冷。將熱處理後的鋯鋁硼合金，通過機械打磨去除表面抗氧化劑和反應層，加工成拉伸 試樣，經測試其力學性能如表1所示。
[0033] 表1鋯合金力學性能及晶粒尺寸測試結果
[0034]

【權利要求】
1. 一種鋯鋁合金，其特徵在於所述鋯鋁合金的化學成分及其質量百分含量為：3 <A1 < 10,0 <B<0. 2,餘量為Zr和不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述的一種鋯鋁合金，其特徵在於：所述A1的質量百分含量為 4彡A1彡10〇
3. 根據權利要求1所述的一種鋯鋁合金，其特徵在於：所述B的質量百分含量為 0? 08 ?0? 12%〇
4. 一種權利要求1?3任一項所述的鋯鋁合金晶粒的細化方法，其特徵在於包括以下 步驟： a. 製備中間合金：將純硼及鋁放入非自耗電弧爐中進行熔煉並添加電磁攪拌，反覆熔 煉3次，得到成分均勻的鋁硼中間合金； b. 鑄錠：將鋁硼中間合金及鋯分別放入真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉溫度為1200? 1400°C，反覆熔煉4次，每次時間為25?35分鐘，得到成分均勻的鋯鋁硼合金鑄錠； c. 鍛造：在鋯鋁硼合金鑄錠表面塗覆高溫抗氧化劑，加熱到1050?1150°C，保溫2-3 小時後進行開坯鍛造和精鍛； d. 熱處理：將精鍛後的鑄錠在管式真空爐中進行最終的退火處理，在750?900°C的溫 度下保溫2?8小時後隨爐冷卻到50°C以下，從爐中取出後在空氣中冷卻。
5. 根據權利要求4所述的一種鋯鋁合金的細化方法，其特徵在於：步驟b中所述的鋯 為工業級海綿鋯。
6. 根據權利要求4所述的一種鋯鋁合金的細化方法，其特徵在於：製備鋁硼中間合金 的熔煉溫度為3000 °C。
【文檔編號】C22C1/03GK104498771SQ201510013151
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月12日 優先權日:2015年1月12日
【發明者】李建輝, 李強, 張福成, 毛磊, 高穎, 劉閃, 秦森, 胡寶成, 楊志南 申請人:河北科技大學