专利名称：一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金的制作方法
技术领域：
本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有低弹性模量和高强度的BCCZr-Ti-Nb 固溶体合金材料。
背景技术：
Zr合金具有优异的核性能，良好的抗高温和蒸汽腐蚀性能，在水堆运行条件下，有 合适的物理、机械性能，并有良好的加工性能，因此ττ合金是水堆中最重要的堆芯结构材 料，可用来制作燃料元件包壳管、控制棒导向管、元件格架、容器管及压力管等结构件。同时 单相BCC β 合金具有高的比强度、低的弹性模量、高塑性、以及优良的耐蚀和耐磨性能， 使其在体育器材和生物医用领域也得到了迅速发展。近年来，美、法、德、俄罗斯以及中国先 后开发出多种新型ττ合金，如和&-MO等。可以看出，这些添加的合金化组元是强 稳定BCC β -Zr固溶体结构的组元，如Mo、Nb，这类组元的添加可以使得合金易于获得BCC 结构。从合金材料性能角度而言，研究表明，Mo和Nb都是稳定β -Zr的组元，且Nb比Mo 更能够将β 稳定至较低温度。但Mo组元的弹性模量很高，从而会造成合金的高弹性模 量；低弹性模量Nb组元的加入可以细化合金的晶粒，改善合金的性能；在现有ττ合金材料 中，&的含量通常为85wt. %以上，过量&的添加会增加材料成本。因此，最佳的合金化组 元添加是在保证合金为单一 BCCii-Zr固溶体结构的基础上，即添加尽可能少的高成本Nb 组元来稳定β "Zr,同时采用低成本的Ti替代Zr，以获得力学性能较好的合金，从而降低材 料成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的在保证合金具有单一 β -Zr结构且性能良 好的前提下，基体组元ττ含量相对较高的不足，提供一种具有低弹性模量、高强度、塑性较 好、低成本的BCC Zr-Ti-Nb固溶体合金材料。本发明采用的技术方案是一种低弹性模量高强度的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为)Ti-(17-26% )Nb。实现上述技术方案的构思是利用我们的“团簇+连接原子”结构模型来设计 Zr-Ti-Nb合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子 两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)x。在BCC β 合金中，14个&原子 占据第一壳层形成CN14多面体团簇，同时&占据团簇心部位置，溶质原子为连接原子。因 此，在&-Ti-Nb体系中，Nb与Ir混合焓为正，Nb与Ir原子易分离，故在团簇结构模型中 Nb作为连接原子；Ti与&为同族组元，混合涵为零，可替代团簇壳层上的τχ。由此给定的 团簇成分式为(Ti，Zr) 14]Nb3_5，源自于二元最低温度β -Zr稳定点成分
Nb30根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是主要利用尽可能 少含量的Nb在保证合金为单一 BCC β -Zr固溶体基础上，增加Ti和降低ττ的含量来获得力学性能好，成本低的的合金。本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利 用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均勻的合 金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为6mm的合金棒，作为拉伸试验用 样品；利用XRD (Cu Ka辐射，λ = 0. 15406nm)检测合金结构；最后利用MTS万能拉伸试验 机测试BCC β 合金样品的拉伸力学性能。由此确定出本发明中具有低弹性模量、高强 度、塑性较好的低&含量的合金成分，为) Ti-(17-26% ) Nb (重量百分 比)，其力学性能参数范围分别为弹性模量E = 52-66GPa，屈服强度σ 0.2 = 560_780MPa， 抗拉强度ob = 580-810MPa，伸长率ε = 5-15 %，断面收缩率Ψ = 41-70%。本发明的效果和益处是①在保证Ir合金具有单相β -Zr同时，增加Ti降低Ir 的含量，可相对降低材料成本；②&-Ti_Nb具有低弹性模量和高强度，是理想的体育器材 材料。③&-Ti-Nb合金组元都为无毒元素，对人体无害，可作为生物医用材料。
具体实施例方式以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式
。实施例1 Zr81.9TiL C1Nb1^1 合金步骤一合金制备Zi^9TiuNb17.丨合金，此成分源自团簇式[Zr (Ti0.4Zr13.6) JNb30 Zr和Nb纯金属按照 给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非 自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼3次，得到成分均勻的合金锭；然 后将熔炼均勻的合金锭最后熔化，并利用铜模吸铸工艺将熔体吸入圆柱形铜模型腔中，得 到直径为6mm的棒材。步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为=E = 52GPa, σ 0 2 = 570MPa, ob = 601 MPa, ε =12.5%， Ψ = 51%。实施例2 Zr79.6Ti3.。Nb17.4 合金步骤一合金制备Zr79.6Ti3.QNb17.4合金，此成分源自团簇式[Zr (Tifr13) ]Nb3。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为=E = 54GPa, O 0 2 = 581MPa, σ b = 600MPa, ε = 10%, Ψ = 52%。实施例3 Zr59.2Ti20.7Nb20.合金步骤一合金制备Zr59Ji2a7Nb2ai合金，此成分源自团簇式[Zr (TiJr8) ]Nb3。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试
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利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为=E = 60GPa, σα2 = 567MPa, σ b = 579MPa, ε = 11. 5%, Ψ = 71. 6%。实施例4 Zr54.3Ti25.0Nb20.7 合金步骤一合金制备Zr54.3Ti25.QNb2Q.7合金，此成分源自团簇式[Zr (TiJr7)]Nb3。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为E = 57GPa, σα2 = 624MPa, σ b = 654MPa, ε = 5.8%, Ψ = 69. 1%。实施例5 Zr49. Ji29.5Nb21.4 合金步骤一合金制备Zr49. Ji29.5Nb21.4合金，此成分源自团簇式[Zr (TiJr6) ]Nb3。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为=E = 65GPa，σα2 = 780MPa, σ b = 795MPa, ε = 8.6%, Ψ = 41. 7%。实施例6 Zr6MTi8^Nb2U 合金步骤一合金制备Zr^Ti^Nb^合金，此成分源自团簇式[Zr (TiJr11) ]Nb4。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为=E = 63GPa, σ 0 2 = 583MPa, ob = 612MPa, ε =13.4%, Ψ = 61. 3%。实施例7 Zr71.4Ti2.7Nb25.9 合金步骤一合金制备Zr71.4Ti2.7Nb25.9合金，此成分源自团簇式[Zr (Tifr13) ]Nb5。同实施例一中的步骤
ο步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC β -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为E = 66GPa，σ Q 2 = 593MPa, σ b = 624MPa, ε = 14.8%, Ψ = 63. 4%。
权利要求
一种低弹性模量高强度的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为Zr (1 30％)Ti (17 26％)Nb。
全文摘要
一种低弹性模量高强度的BCC Zr-Ti-Nb合金，属于新材料技术领域。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为Zr-(1-30％)Ti-(17-26％)Nb。材料性能指标分别为弹性模量E＝52-66GPa，屈服强度σ0.2＝560-780MPa，抗拉强度σb＝580-810MPa，伸长率ε＝5-15％，断面收缩率ψ＝41-70％。本发明的效果和益处是在保证合金具有单一β-Zr结构且性能良好的前提下，发展出一种具有低弹性模量、高强度、塑性较好、且低成本的Zr-Ti-Nb固溶体合金材料，可用作体育器材和生物医用器材。
文档编号C22C30/00GK101984114SQ20101022363
公开日2011年3月9日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者刘恩雪, 王清, 王英敏, 羌建兵, 董闯, 马仁涛 申请人:大连理工大学