專利名稱：一種低彈性模量高強(qiáng)度的BCC Zr-Ti-Nb合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有低彈性模量和高強(qiáng)度的BCCZr-Ti-Nb 固溶體合金材料。
背景技術(shù)：
Zr合金具有優(yōu)異的核性能，良好的抗高溫和蒸汽腐蝕性能，在水堆運(yùn)行條件下，有 合適的物理、機(jī)械性能，并有良好的加工性能，因此ττ合金是水堆中最重要的堆芯結(jié)構(gòu)材 料，可用來制作燃料元件包殼管、控制棒導(dǎo)向管、元件格架、容器管及壓力管等結(jié)構(gòu)件。同時 單相BCC β 合金具有高的比強(qiáng)度、低的彈性模量、高塑性、以及優(yōu)良的耐蝕和耐磨性能， 使其在體育器材和生物醫(yī)用領(lǐng)域也得到了迅速發(fā)展。近年來，美、法、德、俄羅斯以及中國先 后開發(fā)出多種新型ττ合金，如和&-MO等。可以看出，這些添加的合金化組元是強(qiáng) 穩(wěn)定BCC β -Zr固溶體結(jié)構(gòu)的組元，如Mo、Nb，這類組元的添加可以使得合金易于獲得BCC 結(jié)構(gòu)。從合金材料性能角度而言，研究表明，Mo和Nb都是穩(wěn)定β -Zr的組元，且Nb比Mo 更能夠?qū)ⅵ?穩(wěn)定至較低溫度。但Mo組元的彈性模量很高，從而會造成合金的高彈性模 量；低彈性模量Nb組元的加入可以細(xì)化合金的晶粒，改善合金的性能；在現(xiàn)有ττ合金材料 中，&的含量通常為85wt. %以上，過量&的添加會增加材料成本。因此，最佳的合金化組 元添加是在保證合金為單一 BCCii-Zr固溶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，即添加盡可能少的高成本Nb 組元來穩(wěn)定β "Zr,同時采用低成本的Ti替代Zr，以獲得力學(xué)性能較好的合金，從而降低材 料成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的在保證合金具有單一 β -Zr結(jié)構(gòu)且性能良 好的前提下，基體組元ττ含量相對較高的不足，提供一種具有低彈性模量、高強(qiáng)度、塑性較 好、低成本的BCC Zr-Ti-Nb固溶體合金材料。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種低彈性模量高強(qiáng)度的BCC Zr-Ti-Nb合金，其特征 在于它包括&、Ti、Nb元素，其合金成分的重量百分比為)Ti-(17-26% )Nb。實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案的構(gòu)思是利用我們的“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型來設(shè)計 Zr-Ti-Nb合金成分?！皥F(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型可將固溶體結(jié)構(gòu)看作由團(tuán)簇和連接原子 兩部分構(gòu)成，并能給出成分式[團(tuán)簇](連接原子)x。在BCC β 合金中，14個&原子 占據(jù)第一殼層形成CN14多面體團(tuán)簇，同時&占據(jù)團(tuán)簇心部位置，溶質(zhì)原子為連接原子。因 此，在&-Ti-Nb體系中，Nb與Ir混合焓為正，Nb與Ir原子易分離，故在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型中 Nb作為連接原子；Ti與&為同族組元，混合涵為零，可替代團(tuán)簇殼層上的τχ。由此給定的 團(tuán)簇成分式為(Ti，Zr) 14]Nb3_5，源自于二元最低溫度β -Zr穩(wěn)定點(diǎn)成分
Nb30根據(jù)此成分式設(shè)計合金成分，然后轉(zhuǎn)化成重量百分比。設(shè)計的原則是主要利用盡可能 少含量的Nb在保證合金為單一 BCC β -Zr固溶體基礎(chǔ)上，增加Ti和降低ττ的含量來獲得力學(xué)性能好，成本低的的合金。本發(fā)明的成分合金采用高純度組元元素按重量百分比合金成分進(jìn)行配比；然后利 用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護(hù)下對配比的混合物進(jìn)行多次熔煉，以得到成分均勻的合 金錠，然后利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠制備成直徑為6mm的合金棒，作為拉伸試驗用 樣品；利用XRD (Cu Ka輻射，λ = 0. 15406nm)檢測合金結(jié)構(gòu)；最后利用MTS萬能拉伸試驗 機(jī)測試BCC β 合金樣品的拉伸力學(xué)性能。由此確定出本發(fā)明中具有低彈性模量、高強(qiáng) 度、塑性較好的低&含量的合金成分，為) Ti-(17-26% ) Nb (重量百分 比)，其力學(xué)性能參數(shù)范圍分別為彈性模量E = 52-66GPa，屈服強(qiáng)度σ 0.2 = 560_780MPa， 抗拉強(qiáng)度ob = 580-810MPa，伸長率ε = 5-15 %，斷面收縮率Ψ = 41-70%。本發(fā)明的效果和益處是①在保證Ir合金具有單相β -Zr同時，增加Ti降低Ir 的含量，可相對降低材料成本；②&-Ti_Nb具有低彈性模量和高強(qiáng)度，是理想的體育器材 材料。③&-Ti-Nb合金組元都為無毒元素，對人體無害，可作為生物醫(yī)用材料。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1 Zr81.9TiL C1Nb1^1 合金步驟一合金制備Zi^9TiuNb17.丨合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (Ti0.4Zr13.6) JNb30 Zr和Nb純金屬按照 給定的合金重量百分比成分進(jìn)行配料；將混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非 自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，如此反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的合金錠；然 后將熔煉均勻的合金錠最后熔化，并利用銅模吸鑄工藝將熔體吸入圓柱形銅模型腔中，得 到直徑為6mm的棒材。步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為=E = 52GPa, σ 0 2 = 570MPa, ob = 601 MPa, ε =12.5%， Ψ = 51%。實(shí)施例2 Zr79.6Ti3.。Nb17.4 合金步驟一合金制備Zr79.6Ti3.QNb17.4合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (Tifr13) ]Nb3。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為=E = 54GPa, O 0 2 = 581MPa, σ b = 600MPa, ε = 10%, Ψ = 52%。實(shí)施例3 Zr59.2Ti20.7Nb20.合金步驟一合金制備Zr59Ji2a7Nb2ai合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (TiJr8) ]Nb3。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試
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利用XRD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為=E = 60GPa, σα2 = 567MPa, σ b = 579MPa, ε = 11. 5%, Ψ = 71. 6%。實(shí)施例4 Zr54.3Ti25.0Nb20.7 合金步驟一合金制備Zr54.3Ti25.QNb2Q.7合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (TiJr7)]Nb3。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為E = 57GPa, σα2 = 624MPa, σ b = 654MPa, ε = 5.8%, Ψ = 69. 1%。實(shí)施例5 Zr49. Ji29.5Nb21.4 合金步驟一合金制備Zr49. Ji29.5Nb21.4合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (TiJr6) ]Nb3。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為=E = 65GPa，σα2 = 780MPa, σ b = 795MPa, ε = 8.6%, Ψ = 41. 7%。實(shí)施例6 Zr6MTi8^Nb2U 合金步驟一合金制備Zr^Ti^Nb^合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (TiJr11) ]Nb4。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為=E = 63GPa, σ 0 2 = 583MPa, ob = 612MPa, ε =13.4%, Ψ = 61. 3%。實(shí)施例7 Zr71.4Ti2.7Nb25.9 合金步驟一合金制備Zr71.4Ti2.7Nb25.9合金，此成分源自團(tuán)簇式[Zr (Tifr13) ]Nb5。同實(shí)施例一中的步驟
ο步驟二 合金結(jié)構(gòu)和性能測試?yán)肵RD檢測合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 BCC β -Ti固溶體結(jié)構(gòu)；利用MTS萬能拉伸試 驗機(jī)測試其力學(xué)性能參數(shù)，分別為E = 66GPa，σ Q 2 = 593MPa, σ b = 624MPa, ε = 14.8%, Ψ = 63. 4%。
權(quán)利要求
一種低彈性模量高強(qiáng)度的BCC Zr Ti Nb合金，其特征在于它包括Zr、Ti和Nb元素，其合金成分的重量百分比為Zr (1 30％)Ti (17 26％)Nb。
全文摘要
一種低彈性模量高強(qiáng)度的BCC Zr-Ti-Nb合金，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它包括Zr、Ti和Nb元素，其合金成分的重量百分比為Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb。材料性能指標(biāo)分別為彈性模量E＝52-66GPa，屈服強(qiáng)度σ0.2＝560-780MPa，抗拉強(qiáng)度σb＝580-810MPa，伸長率ε＝5-15％，斷面收縮率ψ＝41-70％。本發(fā)明的效果和益處是在保證合金具有單一β-Zr結(jié)構(gòu)且性能良好的前提下，發(fā)展出一種具有低彈性模量、高強(qiáng)度、塑性較好、且低成本的Zr-Ti-Nb固溶體合金材料，可用作體育器材和生物醫(yī)用器材。
文檔編號C22C30/00GK101984114SQ20101022363
公開日2011年3月9日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者劉恩雪, 王清, 王英敏, 羌建兵, 董闖, 馬仁濤 申請人:大連理工大學(xué)