專利名稱：鋯基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金學(xué)，尤其是涉及結(jié)基合金。
迄今為止，知道了一種現(xiàn)有技術(shù)的鋯基合金及其制備工藝和由其制造產(chǎn)品的方法(參見美國專利US4649023)。合金含有其中占以下比例(按重量百分比)的以下成分鈮，0.5-2.0；錫，0.9-1.5；鐵、鉻、鉬、釩、銅、鎳、鎢中的一種元素，0.09-0.11；余量為鋯。
但是，用已知方法而由這種合金制造的產(chǎn)品的特征是它具有不夠?qū)挼哪臀g性能綜合，其中包括不夠高的在沸水中耐結(jié)瘤腐蝕性能。所獲得的產(chǎn)品鐵成分降低阻礙了獲得各含鐵金屬間化合物之間的固定比，從而不利地影響合金的強(qiáng)度及耐蝕性能。
另一種鋯基合金眾所周知地含有(按重量百分比)鈮，0.5-2.0；錫，0.7-1.5；鐵、鉻、鎳中的至少一種元素，0.07-0.28；余量為鋯(參見美國專利US5125985)。
但所述合金遇到了可加工性能差的麻煩，這是因?yàn)?，在加工初期，在合金結(jié)構(gòu)中形成了穩(wěn)定金屬間化合物如ZrFe3的拉長排列的大顆粒，所述金屬間化合物不利地影響了由該合金制成產(chǎn)品的抗裂性能，而這又阻礙了在加工最后階段使用強(qiáng)烈的冷加工并且實(shí)質(zhì)上限制了制造核反應(yīng)堆放射性芯所用的大型構(gòu)件。
另一種鋯基合金眾所周知地含有(按重量百分比)鈮，0.5-1.5；錫，0.9-1.5；鐵，0.3-0.6；鉻，0.005-0.2；碳，0.005-0.04；氧，0.05-0.15；硅，0.005-0.15，該合金組織是通過含鈮和含鐵的金屬間化合物硬化的金屬基質(zhì)，所述金屬間化合物具有這樣的金屬間化合物總量體積比，即Zr(Fe，Nb)2+Zr(Fe，Cr，Nb)+(Zr，Nb)3Fe至少占含鐵金屬間化合物總量的60％并且其中間的間隙等于0.32±0.09μm(參見美國專利US2032759)。
這種從技術(shù)實(shí)質(zhì)上講最接近本文所述合金的合金被選為原型。
由這種原型合金制造的產(chǎn)品具有高的強(qiáng)度特性、耐沸水腐蝕性能以及耐輻射生長性能和抗蠕變性能。
但是，人們需要把在接近350℃長時(shí)間輻射下具有較高的強(qiáng)度特性、抗蠕變性能和耐輻射生長性能的合金用于制造一些用于核反應(yīng)堆放射性芯的產(chǎn)品如用于其導(dǎo)槽或工作流道的管。
通過這樣的事實(shí)來實(shí)現(xiàn)上述目的，即含有鈮、錫、鐵、鉻、碳、氧、硅的本發(fā)明的鋯基合金還含有另一種選自鎢、鉬和釩之一的元素，其成分百分比是這樣的(按重量百分比)鈮，0.5-3.0；錫，0.5-2.0；鐵，0.3-0.1；鉻，0.002-0.2；碳，0.003-0.04；氧，0.04-0.15；硅，0.002-0.15；鎢、鉬或釩，0.001-0.4；余量為鋯。
由這種合金制造的產(chǎn)品是實(shí)用的，這是因?yàn)槭紫热∠藢⒑辖痤A(yù)處理來以形成大的金屬間化合物顆粒的工作，其次是因?yàn)榭紤]了在可以在其初期階段內(nèi)使用相當(dāng)大的變形量的冷加工段內(nèi)的坯料工藝延展極限更寬。利用大變形量使材料組織更均勻并且有助于形成固定的成分、分散度以及二次相顆粒在鋯基質(zhì)中的分散均勻性，由此獲得了在接近350℃的溫度下的較高加工特性，其中包括強(qiáng)度、耐蝕性能、抗破裂性能、耐輻射生長性能和抗蠕變性能。
根據(jù)本發(fā)明，該合金微觀組織的特點(diǎn)是它具有尺寸小于0.2-0.3μm的Zr(Nb，F(xiàn)e)2型含鐵含鈮的金屬間化合物的顆粒及α固溶體，并且它還可以具有尺寸小于0.2-0.3μm的Zr[Nb，F(xiàn)e(W或Mo或V)]2、Zr[Fe，Cr，Nb(W或Mo或V)]2、[Zr，Nb(W或Mo或V)]2Fe、Zr(Fe，Cr，Nb)2、(Zr，Nb)2Fe型含鐵含鈮的金屬間化合物的顆粒及α固溶體。
在二次相的離析成分總量中上述金屬間化合物之和超過80％(體積百分比)。
給合金添加一種選自鎢、鉬和釩之一的元素并且其添加量達(dá)到0.001wt％-0.4wt％，這提高了α鋯基質(zhì)的強(qiáng)度，由此一來，通過使鐵、鉻封閉以及與原型相比提高鈮、錫、鐵的含量而沒有在終產(chǎn)品中形成大的β鋯相顆粒及鋯與鐵和鋯與鉻的二元金屬間化合物，從而防止了含鐵含鉻的金屬間化合物凝結(jié)，所述二元金屬間化合物降低了材料的耐蝕性能，造成終產(chǎn)品解體并使其可加工性能下降。
0.001wt％-0.4wt％的添加材料數(shù)量是根據(jù)以下事實(shí)選定的，即當(dāng)材料的鎢、鉬或釩的含量小于0.001wt％時(shí)，α鋯基質(zhì)可感覺到地減少了并且含鐵的金屬間化合物不再在制造過程中增強(qiáng)、分解和穩(wěn)定，結(jié)果，材料的耐蝕性能受到了不利影響。
當(dāng)所述元素在合金中的含量超過0.4wt％時(shí)，這導(dǎo)致了雙金屬間化合物(鋯與鐵或鋯與鉻)的大顆粒團(tuán)的形成以及其顆粒間間隙超過0.3μm的其它鐵和鈮的二次相顆粒過度凝結(jié)。結(jié)果，獲得了更差的冷加工過程中的材料可加工性能以及終產(chǎn)品的抗裂性能。
鎢、鉬和釩還形成了含鐵含鈮的金屬間化合物的一部分，由此增加了其分散性和密度。
與用上述材料制造核反應(yīng)堆放射性芯所用產(chǎn)品有關(guān)的所有上述因素促成了在終產(chǎn)品中形成均勻的細(xì)晶α鋯基質(zhì)，它具有其特點(diǎn)是具有高密度和分散性的含鐵和鈮的金屬間化合物，絕大部分的這些金屬間化合物的特點(diǎn)是其具有小于0.1μm-0.3μm的顆粒尺寸以及0.1μm-0.3μm的顆粒間隙。總量超過80％的所述顆粒表現(xiàn)為金屬間化合物，如其顆粒尺寸小于0.2μm-0.3μm的Zr(Nb，F(xiàn)e)2以及Zr[Nb，F(xiàn)e(W或Mo或V)]2、Zr[Fe，Cr，Nb(W或Mo或V)]2、[Zr，Nb(W或Mo或V)]2Fe、Zr(Fe，Cr，Nb)2、(Zr，Nb)2Fe。
當(dāng)被用于核反應(yīng)堆放射性芯中時(shí)，在終產(chǎn)品中形成這樣的微觀組織確保了其高的工作穩(wěn)定性并據(jù)此追求高的耐蝕性能且尤其是耐結(jié)瘤腐蝕性能、高強(qiáng)度和抗破裂性能以及在接近450℃溫度下的抗蠕變性能和耐輻射生長性能。
發(fā)明的最佳實(shí)施方式為了促進(jìn)理解本發(fā)明，以下給出了本發(fā)明的一些特定示范實(shí)施例。
例1利用真空電弧熔煉法將本發(fā)明的合金制成錠。接著，在1070℃-900℃的溫度下鍛造鑄錠，結(jié)果鑄錠直徑減小了5倍，而鍛坯被加熱到1050℃并接受水淬火。一旦除去了表面的氣飽和層，淬火坯進(jìn)行定尺切割并且在每個(gè)坯料上鉆設(shè)一個(gè)孔并在620℃下進(jìn)行退火。接著，帶孔的定尺坯料在620℃下進(jìn)行壓力成型。接著，從950℃開始以500℃/s的速度對壓力成型管坯進(jìn)行淬火并在425℃下進(jìn)行退火，而退火坯料在第一軋制道次和后續(xù)軋制道次中按照多道次壓下軋制制度地接受冷鍛，其總壓下率為50(就壁厚與坯徑而言)，并在620℃下接受中間退火。在冷軋后的最終退火是在580℃下進(jìn)行的。在修整結(jié)束后，獲得了外徑為9.15毫米、壁厚為0.65毫米的成品管。
例2利用真空電弧熔煉法將本發(fā)明的合金制成錠。接著，在1070℃-900℃的溫度下鍛造鑄錠，結(jié)果鑄錠直徑減小了1.6倍。隨后，鍛坯被加熱到1050℃并接受水淬火。一旦除去了表面的氣飽和層，淬火坯被定尺切斷成多段并且在每個(gè)坯料上鉆設(shè)一個(gè)孔。接著，帶孔的定尺坯料在735℃±10℃下進(jìn)行壓力成型并在620℃下退火兩個(gè)小時(shí)。接著，坯料接受兩次反復(fù)冷軋以及在630℃下的兩個(gè)小時(shí)的中間退火，隨后是壓下量為20％-25％地最終冷軋成限定尺寸。在冷軋后的最終退火是在580℃-590℃下進(jìn)行的。修整操作導(dǎo)致了要被用作核反應(yīng)堆中的工作流道管的外徑為88毫米且壁厚為4毫米的成品管。
利用表1、2所列的例子表現(xiàn)出了遵照本發(fā)明的實(shí)施例，其中表1表示本發(fā)明合金和根據(jù)原型的成分(10號)、具有超限含量值的樣品成分(11號)以及微觀組織特性的組成。表2表示材料性能在350℃下的燃料包套(例1)以及在300℃下的核反應(yīng)堆放射性芯的工作流道管(例2)。
表1

*組織特點(diǎn)是具有Zr(Nb，F(xiàn)e)2型金屬間化合物表2

例1(350℃)1 36046 1.50.312 39048 1.65 0.323 39045 1.40.304 38048 1.55 0.315 37051 1.60.336 35046 1.50.307 38047 1.55 0.338 35051 1.60.349 36048 1.50.321028055 1.70.3511 - - - -例2(300℃)1251016 1.15 0.301349018 1.25 0.321452015 1.27 0.331552016 1.21 0.311648017 1.2 0.321755016 1.28 0.32如前述例所示，使用所述合金保證了形成一種具有均勻細(xì)分組織以及均勻分布的二次相顆粒的產(chǎn)品，所述二次相的80體積％由尺寸小于0.2μm-0.3μm的Zr(Nb，F(xiàn)e)2金屬間化合物顆粒構(gòu)成。由于形成了這樣的微觀組織，所以，終產(chǎn)品的特點(diǎn)是它具有高的強(qiáng)度、抗破裂性能、耐蝕性能、抗蠕變性能以及耐輻射生長性能。
為了對比起見，表1、2(11號樣品)表示出了其成分含量超過其在本發(fā)明合金中的含量極限的合金以及原型合金(10號樣品)。
由11號樣品制成的所有產(chǎn)品在接受探傷時(shí)因形成微裂紋而不合格。作為合金成分(與10號樣品不一樣)給所提出的合金添加鎢、鉬或釩保證了更高的強(qiáng)度、抗蠕變性能以及耐輻射生長性能，而強(qiáng)耐蝕性能和抗破裂性能不受影響。
工業(yè)實(shí)用性當(dāng)被用于制造核反應(yīng)堆放射性芯所用產(chǎn)品如燃料封裝薄壁管以及大型物件如核反應(yīng)堆放射性芯所用的工作流道管和其它構(gòu)件時(shí)，本發(fā)明可能最適用。此外，所述合金還可以被用于需要強(qiáng)耐蝕性能、抗裂性能、延長的耐高溫使用壽命及強(qiáng)抗輻射能力的化工、醫(yī)藥領(lǐng)域以及其它工程領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種鋯基合金，它含有鈮、錫、鐵、鉻、碳、氧、硅，其特征在于，它還含有另一種選自鎢、鉬和釩之一的元素，其成分重量百分比是這樣的鈮，0.5-3.0；錫，0.5-2.0；鐵，0.3-1.0；鉻，0.002-0.2；碳，0.003-0.04；氧，0.04-0.15；硅，0.002-0.15；鎢、鉬或釩，0.001-0.4；余量為鋯。
2.如權(quán)利要求1所述的鋯基合金，其特征在于，該合金微觀組織的特點(diǎn)是它具有大小不超過0.3μm的Zr(Nb，F(xiàn)e)2型含鐵含鈮的金屬間化合物的顆粒及α固溶體。
3.一種鋯基合金，其特征在于，該合金微觀組織的特點(diǎn)是它具有尺寸小于0.2μm-0.3μm的Zr[Nb，F(xiàn)e(W或Mo或V)]2、Zr[Fe，Cr，Nb(W或Mo或V)]2、[Zr，Nb(W或Mo或V)]2Fe、Zr(Fe，Cr，Nb)2、(Zr，Nb)2Fe型含鐵含鈮的金屬間化合物的顆粒及α固溶體。
全文摘要
一種鋯基合金含有(按重量百分比):鈮,0.5－3.0;錫,0.5－2.0;鐵,0.3－1.0;鉻,0.002－0.2;碳,0.003－0.04;氧,0.04－0.15;硅,0.002－0.15;鎢、鉬或釩,0.001－0.4;余量為鋯。該合金微觀組織的特點(diǎn)是它具有大小不超過0.3μm的Zr(Nb,Fe)
文檔編號C22C16/00GK1350597SQ99816580
公開日2002年5月22日 申請日期1999年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月22日
發(fā)明者A·V·尼庫里那, P·V·謝巴多夫, V·N·希肖夫, M·M·派里古德, L·E·阿吉恩科娃, V·V·羅茲德斯特萬斯基, P·P·馬克洛夫, M·I·索羅尼, J·K·比比拉施維利, P·I·拉夫倫朱克, A·F·羅斯特斯基, N·A·甘扎, N·V·庫茲門科, V·A·克特里克霍夫 申請人:聯(lián)邦國家統(tǒng)一企業(yè)以阿·阿·沃奇瓦拉院士命名的全俄科學(xué)研究無機(jī)材料研究院