Zr3Al基合金的化學(xué)成分設(shè)計(jì)與組織性能探究.pdf

1、多年來，空間結(jié)構(gòu)件的選材主要為高強(qiáng)度鋼或少量的Ti合金。但鋼鐵材料的密度太大，Ti合金的耐磨性較低，并不是最理想的空間結(jié)構(gòu)材料。Zr和Zr合金具有良好的耐腐蝕性、較低的密度和較高的耐磨性，但現(xiàn)有Zr合金強(qiáng)度較低，限制了它在空間構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用。目前Zr合金強(qiáng)韌化的研究重點(diǎn)主要集中在固溶強(qiáng)化和非晶強(qiáng)化上，關(guān)于Zr基金屬間化合物合金強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)報(bào)導(dǎo)很少。Zr基金屬間化合物合金的硬度和強(qiáng)度很高，且具有屈服強(qiáng)度隨溫度升高而升高的反常屈服現(xiàn)象等多種優(yōu)

2、異的力學(xué)及物理化學(xué)性能，只要克服了室溫塑性差的缺陷，就有望成為新型空間結(jié)構(gòu)材料。本文以豐富空間結(jié)構(gòu)材料類型為目標(biāo)，通過化學(xué)成分設(shè)計(jì)及優(yōu)化、熱變形和熱處理工藝研究，制備出了具有較高室溫塑性兼較高強(qiáng)度的Zr3Al基金屬間化合物合金，并探索了其成分、工藝、組織和力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　利用非自耗電弧爐制備了不同Al含量的Zr-Al二元合金，通過鈮合金化和硼微合金化對Zr-Al合金再合金化，并進(jìn)行了不同工藝的熱變形和熱處理。結(jié)果表明

3、：利用非自耗電弧爐熔煉得到的Zr-Al二元合金的相組成為Zr2Al和α-Zr，通過退火過程中發(fā)生的包析反應(yīng)βZr+Zr2Al?Zr3Al得到的合金相組成為Zr3Al和α-Zr。Zr3Al基合金的力學(xué)性能主要由相組成和晶粒尺寸決定。由于Zr2Al相的脆性很高，因此當(dāng)合金含有Zr2Al時(shí)，延伸率幾乎為零，拉伸試驗(yàn)的斷口形貌為脆性斷裂；當(dāng)合金的相組成為Zr3Al和α-Zr時(shí)，合金具備一定的塑性，拉伸試驗(yàn)的斷口形貌為韌性斷裂；Zr3Al相的含量

4、越大，抗拉強(qiáng)度越高，延伸率越低。Zr3Al基合金中Al含量由6wt％增大至8wt%時(shí)，發(fā)生包析反應(yīng)的溫度由750℃提高至850℃。而將Zr-6Al合金的退火溫度由850℃降低至750℃時(shí)，晶粒尺寸由400μm減小至150μm，強(qiáng)度由589MPa提高至664MPa，塑性少量提高。熱變形處理大幅提高了合金的力學(xué)性能，熱變形Zr-6Al合金750℃退火后的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到777MPa和8.8%。
　　在Zr-6Al合金中添加6w

5、t%的Nb可使一部分體心立方結(jié)構(gòu)的高溫β相保留至室溫，但9wt%的Nb完全抑制了合金中的βZr+Zr2Al-Zr3Al包析反應(yīng)。表明在Zr3Al基合金中添加一定量的Nb元素有利于塑性更好的β-Zr保留至室溫，但同時(shí)需要提高退火溫度或延長保溫時(shí)間以促進(jìn)包析反應(yīng)，由此引起的合金組織粗大導(dǎo)致其力學(xué)性能的降低。因此，在Zr3Al基合金中添加大量Nb元素不能提高合金的力學(xué)性能。
　　硼元素可顯著細(xì)化Zr3Al基合金的晶粒尺寸，0.1wt%的

6、硼加入Zr-6Al合金經(jīng)過750℃保溫4小時(shí)退火后，晶粒尺寸由395μm細(xì)化至23μm，抗拉強(qiáng)度由777MPa增大至1093MPa，延伸率由8.8%增大至15.2%，獲得了綜合力學(xué)性能優(yōu)異的Zr3Al基合金結(jié)構(gòu)材料。
　　利用感應(yīng)熔煉和熱變形方法制備了φ38×260mm的較大尺寸Zr3Al基合金，熱變形使鑄態(tài)合金中的第二相由棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，Zr-6Al-0.1B合金經(jīng)過750℃保溫4小時(shí)退火后的抗拉強(qiáng)度為1173MPa，延伸率為