鋯（Zr）及其合金因具有低的熱中子吸收截面和優(yōu)異的耐腐蝕性能而作為結(jié)構(gòu)材料廣泛的應(yīng)用于核電工業(yè)以及化工行業(yè)。Zr還具有比鐵（Fe）低的密度、比鈦（Ti）小的熱膨脹系數(shù)、良好的生物兼容性、無磁和高熔點等特點,可作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天、船舶以及生物醫(yī)療等行業(yè)。然而,現(xiàn)有的Zr合金主要作為核燃料包殼材料而開發(fā)。因為受到熱中子經(jīng)濟性以及耐腐蝕性等因素的限制,核用Zr合金的合金元素種類和含量受到了極大的限制,導(dǎo)致其力學(xué)性能難以提高。此外,用于制備核用Zr合金的原子能級海綿鋯價格昂貴,限制了核用Zr合金在核電工業(yè)以外其他行業(yè)的應(yīng)用。鋁（Al）是一種含量豐富的、廉價的工業(yè)金屬,被廣泛的用作合金元素添加到Ti中,強化Ti合金。Zr與Ti屬于同族元素,最外層電子排布相同,理化性質(zhì)相似。鑒于Al在Ti中具有較好的強化效果,其對Zr也可能具有較好的強化效果。此外,Al是一種α相穩(wěn)定元素,可以顯著的提高Zr的相變溫度,從而有利于Zr在較高溫度下通過變形獲得綜合力學(xué)性能較好的球化組織。因此,選取Al作為合金元素,以廉價的、未經(jīng)鋯鉿（Hf）分離工藝冶煉的工業(yè)純鋯作為原材料制備ZrAl合金,系統(tǒng)的研究ZrAl合... 

【文章來源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

鋯的溫度—壓力相圖[57]

密排六方結(jié)構(gòu)的α-Zr在<c>軸方向略有壓縮,其軸比(c/a)為1.59,小于密排六方結(jié)構(gòu)的理想軸比值1.63。更加開放的體心立方結(jié)構(gòu)與密排六方結(jié)構(gòu)相比,具有更高的振動熵。隨著溫度增加,體心立方結(jié)構(gòu)晶格自由能比密排六方結(jié)構(gòu)晶格自由能下降更快。兩種不同結(jié)構(gòu)的晶格自由能隨溫度變化曲線將有一個交點,當(dāng)溫度大于這個交點溫度時,體心立方結(jié)構(gòu)將比密排六方結(jié)構(gòu)自由能更低、更穩(wěn)定,密排六方結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)[59,60]。ω相因合金元素含量的差異存在兩種結(jié)構(gòu),一種是六方結(jié)構(gòu),屬于P6/mmm空間群,另一種是三方結(jié)構(gòu)(Trigonal),屬于P3?m1空間群。理想ω結(jié)構(gòu)的等同位置為0 0 0、2/3 1/3(1/2-z)、1/3 2/3(1/2+z)。當(dāng)z=0時,ω相為六方結(jié)構(gòu);0<z<1/6時,ω相為三方結(jié)構(gòu)[57]。α、β和ω相的晶胞示意圖如圖1-2所示[61,62]。除了平衡相外,鋯還存在多種非平衡相。這些非平衡相可分為兩種:馬氏體相和絕熱ω相。馬氏體相包括α′相和α″相,由高溫β相在冷卻的過程中通過馬氏體轉(zhuǎn)變形成。馬氏體相變產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)取決于高溫β相中合金元素的含量和種類。ω相除了可以通過高壓的手段得到外,還可以通過變形、淬火和時效等方法得到。由高溫β相淬火得到的ω相被稱為絕熱ω相,由馬氏體相或者亞穩(wěn)β相時效分解得到的ω相被稱為等溫ω相,亞穩(wěn)β相在變形的過程中誘發(fā)相變形成的ω相被稱為應(yīng)力誘發(fā)ω相[57,62-65]。

馬氏體相和絕熱ω相都是由高溫β相通過位移型相變形成,高溫β相淬火的絕熱產(chǎn)物主要取決于鋯中β穩(wěn)定元素的種類、含量和冷卻速度。圖1-3為鋯基二元體系高溫β相淬火絕熱產(chǎn)物與β穩(wěn)定元素含量的關(guān)系示意圖[57]。從圖中可以看出,隨著鋯中β穩(wěn)定元素含量(xB)的增加,β相淬火得到的絕熱產(chǎn)物依次為α′、α″和ω相。α′相晶體結(jié)構(gòu)與α相相同,具有密排六方結(jié)構(gòu)。α″相為斜方結(jié)構(gòu)(Orthorhombic),可以被看作是一種扭曲的六方結(jié)構(gòu)。當(dāng)0<xB<x1時,高溫β相淬火的絕熱產(chǎn)物為α′馬氏體相,x1被定義為馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶格由六方結(jié)構(gòu)扭曲為斜方結(jié)構(gòu)所需的過飽和β穩(wěn)定元素的起始含量。當(dāng)x1<xB<x2時,高溫β相淬火的絕熱產(chǎn)物為ω相,其中x2被定義為α″轉(zhuǎn)變起始溫度隨成分變化曲線與ω轉(zhuǎn)變起始溫度隨成分變化曲線的交點所對應(yīng)的β穩(wěn)定元素的含量。當(dāng)高溫β相中β穩(wěn)定元素的含量超過ω轉(zhuǎn)變起始溫度隨β穩(wěn)定元素變化曲線與室溫線的交點時,β相就可以在室溫下保留下來。此外,合金在α+β兩相區(qū)的淬火溫度將影響在該溫度下平衡態(tài)高溫β相中β穩(wěn)定元素的含量,從而影響高溫β相淬火的絕熱產(chǎn)物。從圖中可以看出,當(dāng)β穩(wěn)定元素含量為x4的合金從T1溫度淬火,絕熱轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為α′相,當(dāng)合金從T2溫度淬火,絕熱轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為α″相,當(dāng)合金從T4溫度淬火,絕熱轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為ω相,當(dāng)合金從T5溫度淬火,高溫β相將完全保留到室溫[57]。α′馬氏體相變是鋯及其合金中較為常見和重要的一種相變。母相β相與子相α′和α相之間存在特定的位向關(guān)系:{110}β‖{0001}α′/α,<11?1>β‖<112?0>α′/α[66,67]。母相β相與子相α′和α相之間晶格對應(yīng)關(guān)系如圖1-4所示[57]。由于{110}晶面存在六個等同晶面,同一{110}晶面上的<111>晶向有兩個等同晶向,因此由同一個β晶粒轉(zhuǎn)變得到的α′或者α晶粒存在十二種不同的晶體學(xué)取向。每一種取向被稱為一種變體,每種變體出現(xiàn)的概率往往不同,即會發(fā)生所謂的“變體選擇”現(xiàn)象。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]核能放射性污染研究[J]. 張晗,閆大海,劉鵬飛.  艦船科學(xué)技術(shù). 2018(19)
[2]事故容錯燃料包殼候選材料的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 劉俊凱,張新虎,惲迪.  材料導(dǎo)報. 2018(11)
[3]MRI磁兼容合金研究[J]. 任伊賓,李俊,王青川,楊柯.  金屬學(xué)報. 2017(10)
[4]鋯及鋯合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 石明華,劉彩利,周軍,田鋒,張建軍,王文生,李中奎.  熱加工工藝. 2015(18)
[5]NZ2鋯合金碘致應(yīng)力腐蝕[J]. 石明華,李中奎,田鋒,戴訓(xùn),張建軍,周軍,王文生.  稀有金屬材料與工程. 2013(08)
[6]鋯材化工離心泵的國產(chǎn)化及其在醋酸化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 朱廣.  精細化工原料及中間體. 2012 (05)
[7]鋯合金在核工業(yè)中的應(yīng)用及研究進展[J]. 王旭峰,李中奎,周軍,田鋒.  熱加工工藝. 2012(02)
[8]熱加工對NZ2鋯合金在400℃過熱水蒸氣中吸氫行為的影響[J]. 石明華,李中奎,張建軍,周軍,田鋒,王文生,王旭峰.  稀有金屬材料與工程. 2011(10)
[9]熱軋溫度對NZ2鋯合金第二相粒子的影響[J]. 石明華,李中奎,張建軍,周軍,田鋒,王文生,朱梅生.  稀有金屬材料與工程. 2010(08)
[10]鋯與鈦耐蝕性比較及應(yīng)用互補性[J]. 余存燁.  腐蝕與防護. 2007(05)

博士論文
[1]高強度TiZrAl合金的制備及組織性能研究[D]. 蔣曉軍.燕山大學(xué) 2015

碩士論文
[1]Zr-2.5Nb合金的熱氧化工藝及生物相容性研究[D]. 楊婷.中國礦業(yè)大學(xué) 2017
[2]醫(yī)用鋯鈮合金氧化陶瓷層的制備及其性能研究[D]. 周林菊.華南理工大學(xué) 2015



本文編號：3584180