一種低膨脹系數的鋯合金及其制備方法技術

一種低膨脹系數鋯合金，它的化學成分原子百分比為：Al2～5、Nb1～3，其余為Zr元素。上述低膨脹系數鋯合金的制備方法主要是將原料混合均勻后放置在真空非自耗感應熔煉爐中熔煉，將反復熔煉的鑄錠進行高溫均勻化退火，然后在箱式電阻爐中加熱后對其進行多道次軋制變形，直至合金錠變形量達到70％，在進行完最后一道次軋制變形后，將所得的合金板材放置于大氣中冷卻至室溫，然后將合金板材表面進行扒皮和表面修磨制得低膨脹系數鋯合金。本發明專利技術制備方法簡便易操作，制得的鋯合金熱膨脹系數低，具有耐腐蝕、抗輻射和低密度等優良的力學和理化性能。

【技術實現步驟摘要】
【專利說明】
本專利技術屬于材料
，特別涉及一種鋯合金及其制備方法。
技術介紹
在航空航天，精密儀器等領域中經常會涉及到結構件使用溫度的變化。 而各種材料在使用過程中由于溫度環境的變化而發生的熱脹冷縮現象很大程度的破壞了 各個結構部件之間的協調機制，進而使結構部件的服役性能和可靠性能大大降低。例如，在 航空航天領域中，航天器的各種結構件要在一 60度到+80度的交變溫度下服役，不同材料的 熱膨脹系數的不同會導致結構件之間產生交變的內應力（反復在過渡配合、過盈配合和間 隙配合之間轉變），使得結構件的可靠性壽命大大降低。因此，熱脹冷縮現象的消除成為了 當今科學家亟待解決的問題。低膨脹系數合金的開發應用可以提升精密器件的尺寸穩定 性，延長材料的使用壽命，提高經濟和社會效益，因此具有廣泛的應用前景。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種制備方法簡便、易操作、具有耐腐蝕、抗輻 射和低密度等優良的低膨脹系數的鋯合金及其制備方法。本專利技術主要是以鋯基合金體系為 研究對象，通過添加合金元素鋁(A1)和鈮(Nb)以及進行熱加工處理，制備出具有低膨脹系 數的新型錯基合金。本專利技術的低膨脹系數的鋯合金的化學成分原子百分比為:A1 2~5、Nb1~3,其余 為Zr元素。上述鋯合金的制備方法： (1)原材料的預處理:對原材料進行打磨并用超聲波清洗，最后用吹風機吹干。 (2)鑄錠:將步驟（1)的原材料混合均勻放入真空非自耗熔煉爐中熔煉五遍，真空 度為5Xl(T3Pa，熔煉溫度為2000~2200°C，每次時間5~10分鐘，以保證得到成分均勻的 ZrAlNb合金錠。 (3)退火:將步驟(2)的鑄錠放置到真空管式電阻爐中加熱至900~1000°C保溫2~ 4小時，之后隨爐冷卻至室溫，使合金錠的成分更加均勻化。 (4)熱處理:將步驟(3)經過均勻化退火的合金錠放入箱式電阻爐中并將箱式電阻 爐加熱至800~900°C，保溫30分鐘，隨后將合金錠快速轉移到兩輥平面乳機上進行多道次 乳制變形;第一次乳制完成后在上述溫度保溫3~5分鐘，隨后快速進行第二次乳制變形，以 此循環，每次下壓量控制在合金錠初始厚度的15 %左右，最后使合金錠變形量達到70 % ;在 最后一道次變形后，將合金板材放置于大氣中冷卻至室溫;將冷卻至室溫的合金板材表面 進行扒皮和表面修磨得到低膨脹系數鋯合金。 合金熱膨脹系數的高低主要依賴于合金組成元素本身的熱膨脹系數及合金組成 相的種類和含量。該低膨脹系數的鋯合金的獲得方法主要是通過添加少量的熱膨脹系數較 小且能夠有效改善合金力學性能的合金元素，并輔助適當的熱處理工藝獲得合適比例的高 溫β相和低溫α相的混合相，從而獲得具有較好力學性能的低膨脹系數的鋯合金。 本專利技術與現有技術相比具有以下優點： 1、制備方法簡便易操作。 2、所得的鋯合金熱膨脹系數低，用其制備的結構件在交變溫度條件下服役時，其 尺寸及性能更加穩定。 3、制得的鋯合金具有耐腐蝕、抗輻射和低密度等優良的力學和理化性能?！靖綀D說明】圖1為本專利技術實施例1、2和3制備的鋯合金的X射線衍射圖。圖2為本專利技術實施例2制備的ZrAl3Nb2合金的電鏡圖?！揪唧w實施方式】 實施例！用工業級海綿Zr、純A1及純Nb按成分ZrAl2Nbi(原子比）進行配料，用超聲波清洗， 再用吹風機干燥;將混合均勻的原材料放入真空非自耗熔煉爐(真空度為5Xl(T3Pa)中熔煉 五遍，熔煉溫度為2100°C，每次時間8分鐘，以保證得到成分均勻的ZrAlsNh合金錠。將熔煉 好的鑄錠放置到真空管式電阻爐中加熱至950°C保溫3小時，之后隨爐冷卻，使合金錠的成 分更加均勻化。將經過均勻化退火的ZrAl3Nb2合金錠放入箱式電阻爐中并將箱式電阻爐加 熱至800°C，使合金錠在該加熱溫度下保溫30分鐘，隨后將合金錠快速轉移到兩輥平面乳機 上進行多道次乳制變形。第一次乳制完成后在以上溫度保溫4分鐘，隨后快速進行第二次乳 制變形，以此循環，每次下壓量控制在合金錠初始厚度的15 %左右，最后使合金錠變形量達 到70%。在最后一道次變形后，將合金板材放置于大氣中冷卻至室溫。將冷卻至室溫的合金 板材表面進行扒皮和表面修磨得到低膨脹系數的ZrAhNh合金。 如圖1所示，可看出ZrAhNbi合金為α相和微量β相所組成的混合相。 將制得的ZrAl2Nb1合金在一60~+80°C的溫度區間檢測其熱膨脹系數，與合金 9Crl8和TC4相比，ZrAhNbi合金的熱膨脹系數降低了36.07%和25.85%。具體數據見表1。 實施例2用工業級海綿Zr，純A1及純Nb按成分ZrAl3Nb2(原子比）進行配料，用超聲波清洗， 再用吹風機干燥。將混合均勻的原材料放入真空非自耗熔煉爐(真空度為5Xl(T3Pa)中熔煉 五遍，熔煉溫度為2000°C，每次時間10分鐘，以保證得到成分均勻的ZrAl3Nb2合金錠。將熔煉 好的鑄錠放置到真空管式電阻爐中加熱至900°C保溫4小時，之后隨爐冷卻，使合金錠成分 更加均勻化。將經過均勻化退火的ZrAl3Nb2合金錠放入箱式電阻爐中并將箱式電阻爐加熱 至850°C，使合金錠在該加熱溫度下保溫30分鐘，隨后將合金錠快速轉移到兩輥平面乳機上 進行多道次乳制變形。第一次乳制完成后在以上溫度保溫5分鐘，隨后快速進行第二次乳制 變形，以此循環，每次下壓量控制在合金錠初始厚度的15 %左右，最后使合金錠變形量達到 70%。在最后一道次變形后，將合金板材放置于大氣中冷卻至室溫。將冷卻至室溫的合金板 材表面進行扒皮和表面修磨得到低膨脹系數的ZrAl3Nb2合金。如圖1所示，可看出ZrAl3Nb2合金為α相和少量β相所組成的混合相。如圖2所示，基 體為板條狀的α相，細小的β相均勻分布在α晶粒邊界處。將制得的ZrAl3Nb2合金在一60~+80°C的溫度區間檢測其熱膨脹系數，與合金 9Crl8和TC4相比，ZrAl3Nb2合金的熱膨脹系數降低了 32.75%和22%。具體數據見表1。實施例3用工業級海綿Zr，純A1及純Nb按成分ZrAl5Nb3(原子比）進行配料，用超聲波清洗， 再用吹風機干燥。將混合均勻的原材料放入真空非自耗熔煉爐(真空度為5 X l(T3Pa)中熔煉 五遍，熔煉溫度為2200°C，每次時間5分鐘，以保證得到成分均勻的ZrAl5Nb3合金錠。將熔煉 好的鑄錠放置到真空管式電阻爐中加熱至l〇〇〇°C保溫2小時，之后隨爐冷卻，使合金錠成分 更加均勻化。將經過均勻化退火的ZrAl5Nb3合金錠放入箱式電阻爐中并將箱式電阻爐加熱 至900°C，使合金錠在該加熱溫度下保溫30分鐘，隨后將合金錠快速轉移到兩輥平面乳機上 進行多道次乳制變形。第一次乳制完成后在以上溫度保溫3分鐘，隨后快速進行第二次乳制 變形，以此循環，每次下壓量控制在合金錠初始厚度的15 %左右，最后使合金錠變形量達到 70%。在最后一道次變形后，將合金板材放置于大氣中冷卻至室溫。將冷卻至室溫的合金板 材表面進行扒皮和表面修磨得到低膨脹系數的ZrAl5Nb3合金。如圖1所示，可看出ZrAl5Nb3合金為α相和β相所組成的混合相。將制得的ZrAl5Nb3合金在一60~+80°C的溫度區間檢測其熱膨脹系數，與合金 9Crl8和TC4相本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低膨脹系數的鋯合金，其特征在于：它的化學成分原子百分比為：Al?2～5、Nb?1～3，其余為Zr元素。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉日平，馮志浩，周云凱，馬明臻，譚春林，張新宇，張世良，
申請(專利權)人：燕山大學，
類型：發明
國別省市：河北;13