專利名稱：一種高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別涉及一種鋯金屬及其制備方法。
背景技術(shù)：
強(qiáng)度和塑性是金屬結(jié)構(gòu)材料的兩個(gè)重要的參數(shù)?，F(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求未來(lái)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性的特點(diǎn)。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒尺寸越小，材料的強(qiáng)度越高。我們可以通過(guò)細(xì)化晶粒使材料的強(qiáng)度顯著增加。因此，具有高強(qiáng)度的納米(〈lOOnm)結(jié)構(gòu)金屬成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。但是大量的研究工作表明雖然納米結(jié)構(gòu)金屬具有很高的強(qiáng)度，但塑性一般都比較差，沒(méi)有均勻變形能力或者均勻延伸率很小(〈3%)。這是因?yàn)椴牧现写罅烤Ы绲某霈F(xiàn)，限制了變形載體位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，其加工硬化能力很小。因此，提高了材料的強(qiáng)度，但卻極大損失了材料的塑性。我們可以通過(guò)熱退火的方法對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到提高塑性的目的，但是熱退火的方法經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的大幅下降。如何能夠提高納米結(jié)構(gòu)金屬的塑性，換言之，如何制備出同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性的納米結(jié)構(gòu)材料成為金屬材料領(lǐng)域迫切要解決的一個(gè)問(wèn)題。鋯金屬因其高熔點(diǎn)、抗腐蝕、抗輻射以及優(yōu)異的生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、核工業(yè)和臨床移植等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但其較低的強(qiáng)度嚴(yán)重限制了其廣泛應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，粗晶鋯金屬的抗拉強(qiáng)度為 324MPa，其均勻延伸率為 18. 8% ；L. Lang等利用重復(fù)疊軋方法通過(guò)將晶粒尺寸細(xì)化至至超細(xì)晶尺度(O. 1-1 μ m)，將鋯金屬的抗拉強(qiáng)度提高至513MPa，但其均勻延伸率減小至7. 4% ;而目前具有納米結(jié)構(gòu)的純鋯金屬少見(jiàn)報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有高強(qiáng)度和優(yōu)異塑性的高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬及其制備方法。本發(fā)明主要是通過(guò)對(duì)液氮低溫冷軋變形的鋯金屬板材進(jìn)行室溫高壓變形處理，得到了具有高抗拉強(qiáng)度高塑性的納米結(jié)構(gòu)鋯金屬。本發(fā)明的技術(shù)方案如下I、原料為純度99. 95%的普通商用純鋯板。
2、液氮低溫冷軋將上述鋯板放入液氮中浸泡1(Γ20分鐘，使其與液氮達(dá)到熱平衡，再放入軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋機(jī)開(kāi)動(dòng)后對(duì)上下軋輥和輥縫進(jìn)行液氮噴淋5 10分鐘，然后迅速取出上述液氮浸泡中的純鋯板進(jìn)行軋制，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為O. 3(T0. 45m/s,單道次壓下量為I. 5^2. 5%，由軋機(jī)冷軋變形后的上述鋯板直接掉入裝有液氮的冷卻容器中，進(jìn)行1(Γ20分鐘的浸泡冷卻；軋制過(guò)程中的溫度是送入軋輥前為-17(T-160°C，軋制后為-11(T-90°C。重復(fù)以上軋制過(guò)程直至鋯板變形量達(dá)到90%以上。3、將上述液氮冷軋后的鋯板切成能夠放入Φ30壓片模具大小的板塊，用手動(dòng)液壓機(jī)將上述切好的板塊包埋于14 18g的氮化硼粉末中壓成柱狀鋯板氮化硼片，然后置于馬弗爐中在溫度50°C條件下干燥6h以上；將水玻璃與水按照I :1進(jìn)行稀釋，然后按氧化鋯粉末稀釋的水玻璃的重量百分比為Γ4. 5:1的比例，將氧化鋯粉末與稀釋的水玻璃混合后壓成柱狀氧化鋯片，然后置于馬弗爐中在溫度為120°C條件下干燥12h以上。以上壓片過(guò)程中，壓力大小為15MPa，保壓時(shí)間為10分鐘。將尺寸與上述氧化鋯柱狀片相同的白云石片、上述鋯板氮化硼片以及氧化鋯片疊放在帶有內(nèi)孔的葉臘石立方體的柱狀孔內(nèi)，放置順序?yàn)榘自剖?、氧化鋯片、鋯板氮化硼片、氧化鋯片、白云石片?br> 4、將上述疊放好的葉臘石立方體置于六面頂壓機(jī)中并進(jìn)行高壓處理，壓力為
O.5^1. OGPa，保壓時(shí)間為5分鐘，溫度為室溫。經(jīng)過(guò)上述方法所制備的高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬的結(jié)構(gòu)特征是含有體積分?jǐn)?shù)為 80%的納米晶、亞晶，其余為少量的殘余軋制變形微結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)與目前所報(bào)道純鋯金屬相比，本發(fā)明制備的鋯金屬具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，其抗拉強(qiáng)度> 836MPa，均勻延伸率> 6% ;在與已報(bào)道超細(xì)晶鋯金屬保持相近塑性的同時(shí)，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于超細(xì)晶鋯金屬的513MPa，其均勻延伸率遠(yuǎn)高于通常所報(bào)道納米結(jié)構(gòu)金屬的均勻延伸率(〈3%)。


圖I本發(fā)明實(shí)施例所用六面頂壓機(jī)及樣品組裝示意圖。圖2本發(fā)明實(shí)施例I和實(shí)施例2壓力高壓處理鋯板照片。圖3本發(fā)明實(shí)施例I高壓變形鋯金屬的透射電鏡明場(chǎng)像(a)、暗場(chǎng)像(b)和選區(qū)電子衍射花樣((a)中插圖)。圖4本發(fā)明實(shí)施例I液氮低溫冷軋鋯金屬高壓變形前(A)和高壓變形后(B)的工程應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線。圖5本發(fā)明實(shí)施例2高壓變形鋯金屬的透射電鏡明場(chǎng)像(a)、暗場(chǎng)像(b)和選區(qū)電子衍射花樣((a)中插圖)。圖6本發(fā)明實(shí)施例2液氮低溫冷軋鋯金屬高壓變形前(A)和高壓變形后(C)的工程應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I取厚度為3mm的純鋯板，純度為99. 95%，將上述鋯板放入液氮中浸泡10分鐘，再放入二輥軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋機(jī)開(kāi)動(dòng)后對(duì)上下軋輥和輥縫進(jìn)行液氮噴淋5分鐘，然后迅速取出上述液氮浸泡中的純鋯板進(jìn)行軋制，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為O. 35m/s，單道次壓下量為I. 5%，應(yīng)變速率為2. 42s-1,由軋機(jī)冷軋變形后的上述鋯板直接掉入裝有液氮的冷卻容器中，進(jìn)行10分鐘的浸泡冷卻。利用熱電偶測(cè)量表明，鋯板送入軋輥前的溫度為_(kāi)163°C，軋制后落入液氮前溫度為_(kāi)92°C。重復(fù)以上軋制過(guò)程直至上述鋯板厚度減小至O. 26mm，此時(shí)變形量達(dá)到91.4%，應(yīng)變量ε=2.84。如圖2所示，處理后的鋯板與高壓處理前相比，長(zhǎng)度明顯縮短，發(fā)生了壓縮變形。從上述液氮冷軋后的鋯板上切出尺寸大小為5X25mm2的矩形塊4，用手動(dòng)液壓機(jī)將上述切好的板塊包埋于14. 2g氮化硼粉末中壓成Φ 30 X 16的柱狀鋯板氮化硼片3，然后置于馬弗爐中在溫度50°C條件下干燥6. 2h ;將3ml水玻璃用3ml水進(jìn)行稀釋后放入24g氧化鋯粉末混合后壓成Φ30Χ8的柱狀氧化鋯片2，然后置于馬弗爐中在溫度為120°C條件下干燥12.5h。以上壓片過(guò)程中，壓力大小為15MPa，保壓時(shí)間為10分鐘。將Φ30Χ8的白云石片I、上述鋯板氮化硼片以及氧化鋯片疊放在外尺寸為48X48X48、內(nèi)孔為Φ30.2Χ48的葉臘石立方體的柱狀孔內(nèi)，放置順序?yàn)榘自剖?、氧化鋯片、鋯板氮化硼片、氧化鋯片、白云石片，如圖I所示。
將上述疊放好的葉臘石立方體置于六面頂壓機(jī)中進(jìn)行高壓處理，壓力為O. 5GPa，保壓時(shí)間為5分鐘，溫度為室溫。如圖3所示，高壓變形后的鋯板的微結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了大量的晶粒尺寸為4(T70nm的亞晶和等軸晶。統(tǒng)計(jì)表明其納米晶和亞晶的體積分?jǐn)?shù)約為71%，其余為含有大量位錯(cuò)的殘余軋制變形結(jié)構(gòu)，電子衍射花樣呈明顯的環(huán)形，這進(jìn)一步證明了樣品中存在大量尺寸細(xì)小的納米尺度亞晶和晶粒。如圖4的拉伸曲線中曲線B所示，其抗拉強(qiáng)度為843MPa，均勻延伸率為6. 7%，失效延伸率為20. 6%，與高壓變形前抗拉強(qiáng)度為925MPa，均勻延伸率3. 2%相比，高壓變形后的強(qiáng)度略有下降，但是均勻延伸率大幅上升。實(shí)施例2 取厚度為3mm的純鋯板，純度為99. 95%，將上述鋯板放入液氮中浸泡20分鐘，再放 入二輥軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋機(jī)開(kāi)動(dòng)后對(duì)上下軋輥和輥縫進(jìn)行液氮噴淋10分鐘，然后迅速取出上述液氮浸泡中的純鋯板進(jìn)行軋制，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為O. 45m/s，單道次壓下量為2. 5%，應(yīng)變速率為2. 42s-1,由軋機(jī)冷軋變形后的上述鋯板直接掉入裝有液氮的冷卻容器中，進(jìn)行20分鐘的浸泡冷卻。利用熱電偶測(cè)量表明，鋯板送入軋輥前的溫度為_(kāi)168°C，軋制后落入液氮前溫度為_(kāi)107°C。重復(fù)以上軋制過(guò)程直至上述鋯板厚度減小至O. 24mm，此時(shí)變形量達(dá)到92.0%，應(yīng)變量ε=2.90。如圖2所示，處理后的鋯板與高壓處理前相比，長(zhǎng)度明顯縮短，發(fā)生了壓縮變形。從上述液氮冷軋后的鋯板上切出尺寸大小為5X25mm2的矩形塊，用手動(dòng)液壓機(jī)將上述切好的板塊包埋于17. Sg氮化硼粉末中壓成Φ30Χ20的柱狀鋯板氮化硼片，然后置于馬弗爐中在溫度50°C條件下干燥6. 5h ;將2ml水玻璃用2ml水進(jìn)行稀釋后放入18g氧化鋯粉末混合后壓成Φ30Χ6的柱狀氧化鋯片，然后置于馬弗爐中在溫度為120°C條件下干燥12.5h。以上壓片過(guò)程中，壓力大小為15MPa，保壓時(shí)間為10分鐘。將Φ30Χ8的白云石片、上述鋯板氮化硼片以及氧化鋯片疊放在外尺寸為48X48X48、內(nèi)孔為Φ30. 2X48的葉臘石立方體的柱狀孔內(nèi)，放置順序?yàn)榘自剖⒀趸喥?、鋯板氮化硼片、氧化鋯片、白云石片。將上述疊放好的葉臘石立方體置于六面頂壓機(jī)中進(jìn)行高壓處理，壓力為I. OGPa,保壓時(shí)間為6分鐘，溫度為室溫。如圖5所示，高壓變形后的鋯板的微結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量的晶粒尺寸為50 IOOnm的亞晶和等軸晶，統(tǒng)計(jì)表明其納米晶和亞晶的體積分?jǐn)?shù)約為80%,其余為含有大量位錯(cuò)的殘余軋制變形結(jié)構(gòu)，電子衍射花樣呈明顯的環(huán)形，這進(jìn)一步證明了樣品中存在大量尺寸細(xì)小的納米尺度亞晶和晶粒。如圖6的拉伸曲線中曲線C所示，其抗拉強(qiáng)度為836MPa，均勻延伸率為6. 0%，失效延伸率為17. 8%，與高壓變形前抗拉強(qiáng)度為925MPa，均勻延伸率3. 2%相比，高壓變形后的強(qiáng)度略有下降，但是均勻延伸率大幅上升。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬的制備方法，其特征在于 (1)原料為純度99.95%的普通商用純鋯板； (2)將上述鋯板放入液氮中浸泡1(T20分鐘，使其與液氮達(dá)到熱平衡，再放入軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋機(jī)開(kāi)動(dòng)后對(duì)上下軋輥和輥縫進(jìn)行液氮噴淋5 10分鐘，然后迅速取出液氮浸泡中的純鋯板進(jìn)行軋制，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為0. 30、. 45m/s,單道次壓下量為I. 5^2. 5%，由軋機(jī)冷軋變形后上述鋯板直接掉入裝有液氮的冷卻容器中，進(jìn)行10 20分鐘的浸泡冷卻；軋制過(guò)程中的溫度是送入軋輥前為-17(T-160°C，軋制后為-11(T-9(TC。重復(fù)以上軋制過(guò)程直至鋯板變形量達(dá)到90%以上； (3)將上述液氮冷軋后的鋯板切成能夠放入030壓片模具大小的板塊，用手動(dòng)液壓機(jī)將上述切好的板塊包埋于14 18g的氮化硼粉末中壓成柱狀片，然后置于馬弗爐中在溫度50°C條件下干燥6h以上；將水玻璃與水按照I :1進(jìn)行稀釋，然后按氧化鋯粉末稀釋 的水玻璃的重量百分比為4 4. 5:1的比例，將氧化鋯粉末與稀釋的水玻璃混合后壓成柱狀片，然后置于馬弗爐中在溫度為120°C條件下干燥12h以上；以上壓片過(guò)程中，壓力大小為15MPa，保壓時(shí)間為10分鐘，將尺寸與上述氧化鋯柱狀片相同的白云石片、上述鋯板氮化硼片以及氧化鋯片疊放在帶有內(nèi)孔的葉臘石立方體的柱狀孔內(nèi)，放置順序?yàn)榘自剖?、氧化鋯片、鋯板氮化硼片、氧化鋯片、白云石片? (4)將上述疊放好的葉臘石立方體置于六面頂壓機(jī)中并進(jìn)行高壓處理，壓力為.0.5^1. OGPa，保壓時(shí)間為5分鐘，溫度為室溫。
2.通過(guò)權(quán)利要求I所制備的一種高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬，其特征在于含有體積分?jǐn)?shù)為71 80%的納米晶、亞晶，其余為少量的殘余軋制變形微結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬及其制備方法，其主要是對(duì)純鋯板進(jìn)行液氮低溫軋制變形后，埋于氮化硼粉末中壓成柱狀片，放入馬弗爐中干燥；然后將氧化鋯粉末和稀釋的水玻璃混合壓成柱狀氮化鋯片，放入馬弗爐中干燥；將白云石片、上述鋯板氮化硼片以及氧化鋯片疊放在葉臘石立方體的柱狀孔內(nèi)，置于六面頂壓機(jī)中并進(jìn)行高壓處理，壓力為0.5～1.0GPa，保壓時(shí)間為5分鐘，溫度為室溫。通過(guò)上述方法制備的一種高強(qiáng)塑性納米結(jié)構(gòu)鋯金屬，其結(jié)構(gòu)特征是含有體積分?jǐn)?shù)為71～80%的納米晶、亞晶，其余為少量的殘余軋制變形微結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制備的鋯金屬具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，其抗拉強(qiáng)度≥836MPa，均勻延伸率≥6%。
文檔編號(hào)C21D8/00GK102965605SQ20121044275
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者張湘義, 郭得峰, 李明, 石銀東 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)