一种高强韧锆合金及其制备方法与流程

本发明属于结构材料领域，具体涉及一种高强韧锆合金及其制备方法。

背景技术：

锆是一种稀有金属，具有优异的抗腐蚀性能和极高的熔点(1800℃以上)；锆具有同质异晶转变，高温下的晶体结构为体心立方，低温下为密排六方；锆的塑性好，可通过塑性加工制成管材、板材、棒材和丝材，其焊接性也好，可用以进行焊接加工；但是纯锆的室温抗拉强度很低，不到400MPa，难以满足结构材料的对力学性能的要求，因此，工业上应用以锆合金为主。

锆合金是以锆为基体加入其他元素而构成的有色合金，主要合金元素有锡、铌、铁等。锆合金在300～400℃的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面，对核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反应堆的堆芯结构材料。锆对多种酸、碱和盐有优良的抗蚀性，与氧、氮等气体有强烈的亲和力，因此锆合金也用于制造耐蚀部件和制药机械部件，在电真空和灯泡工业中被广泛用作非蒸散型消气剂。另外，锆具有较低的弹性模量、优异的耐蚀性能和生物相容性。因此锆合金在航空航天、军工、核反应、原子能和生物医用材料领域具有广泛的应用前景。

工业规模生产的锆合金有锆锡系和锆铌系两类，前者合金牌号有Zr-2、Zr-4，后者的典型代表是Zr-2.5Nb。当在纯锆中合金化少量的锡、铌等元素后，锆合金的强度可以提高到900MPa，但作为结构材料来说强度还较低，因此需要开发高强度的锆合金。块体非晶合金是一种新型金属材料，不同于晶态合金，其原子排列具有长程无序短程有序的结构特点，因而表现出一系列优于晶态合金的特性。近年来，锆基非晶合金由于具有高强度(～1600MPa)、高硬度(～450Hv)、低弹性模量(～80GPa)、高断裂韧性(～60MPa m1/2)和高疲劳抗性等优异的性能而备受关注；然而，室温下锆基非晶合金的塑性变形主要依靠高度区域化的剪切带进行，从而表现出显著的室温脆性和应变软化等特点，限制了其作为结构材料的应用。因此，开发同时具有高强度和高韧性的锆合金对于其在结构材料领域的应用具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高强韧锆合金及其制备方法，所得锆合金具有高强度与高韧度的特点，且制备方法简单易于操作。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：该高强韧锆合金的化学分子式为Zr_aAl_bCo_cM_d，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。

进一步地，该高强韧锆合金的各组成元素的质量百分比纯度均≥99.0％。

进一步地，该高强韧锆合金的压缩屈服强度为1100～1400MPa，压缩断裂强度为1350～1710MPa。

进一步地，该高强韧锆合金在浓度为1mol/L的HCl中的腐蚀速率小于1μm/年。

与此同时，公开了上述高强韧锆合金的制备方法，该制备方法包括如下具体操作步骤：

步骤一、配料：按原子百分比称取Zr_aAl_bCo_cM_d的各组成元素，且各组成元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；

步骤二、熔炼制Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金：

将步骤一所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3～5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500～2800℃；反复熔炼4遍或4遍以上，得到Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金；

步骤三、Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭冷却：

将步骤二得到的母合金在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，直至母合金由液态冷却至固态，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭即所述高强韧锆合金。

进一步地，该制备方法还包括步骤四、Zr_aAl_bCo_cM_d合金样品加工：

将步骤三制得的Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭用线切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中间部分，对切割后表面进行研磨抛光后，即得到Zr_aAl_bCo_cM_d合金样品。

本发明的有益效果在于：

针对目前大部分锆合金的塑性较好但是强度较低，锆基非晶合金强度较高但塑性变形能力差的问题，本发明提供了一种具有高强度和高韧度的锆合金，且具有良好的压缩塑性变形能力与优异的耐腐蚀性能；同时公开了该高强韧锆合金的制备方法，整个制备过程简单易于操作，制备成本低；因此，本发明为结构材料、航空航天、医疗器械等领域拓宽了材料的选择。

【具体实施方式】

本发明高强韧锆合金的化学分子式为Zr_aAl_bCo_cM_d，式中：a、b、c、d为原子百分数；其中45≤a≤50，8≤b≤10，35≤c≤40，2≤d≤5，且a+b+c+d＝100；M为Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种。

其中，高强韧锆合金的各组成元素的质量百分比纯度均≥99.0％；该高强韧锆合金的压缩屈服强度为1100～1400MPa，压缩断裂强度为1350～1710MPa，其在浓度为1mol/L的HCl中的腐蚀速率小于1μm/年。

上述高强韧锆合金的制备方法包括如下具体操作步骤：

步骤一、配料：按原子百分比称取Zr_aAl_bCo_cM_d的各组成元素，且各组成元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；

步骤二、熔炼制Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金：

将步骤一所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3～5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500～2800℃；反复熔炼4遍或4遍以上，得到Zr_aAl_bCo_cM_d的母合金；

步骤三、Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭冷却：

让步骤二得到的母合金在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，直至该母合金由液态冷却至固态(由液态冷却至固态所需的冷却时间一般为20-60秒)，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭即所述高强韧锆合金。

另外，为了使得本发明Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭便于后期销售等市场需求，一般可将其加工成样品，即本发明还可包括步骤四、Zr_aAl_bCo_cM_d合金样品加工，具体地，将制得的Zr_aAl_bCo_cM_d合金铸锭用线切割方法按照所需要的尺寸要求截取其中间部分，对切割后表面进行研磨抛光后，即得到Zr_aAl_bCo_cM_d合金样品。

为了更好的对本发明进行阐述说明，申请人例举了如下实施例。

实施例1

制备化学分子式为Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Ni₅的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Ni₅称量Zr、Al、Co、Ni纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至3×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼5遍，得到Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Ni₅的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为30秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Ni₅合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Ni₅合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1100MPa、断裂强度1710MPa、塑性变形量18％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.96μm/年。

实施例2

制备化学分子式为Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Fe₅的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Fe₅的称量Zr、Al、Co、Fe纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500℃；反复熔炼4遍，得到Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Fe₅的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为30秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Fe₅合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Fe₅合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1110MPa、断裂强度1350MPa、塑性变形量8％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.54μm/年。

实施例3

制备化学分子式为Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Cu₅的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Cu₅的称量Zr、Al、Co、Cu纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至2×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500℃；反复熔炼6遍，得到Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Cu₅的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为25秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Cu₅合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₅₀Al₁₀Co₃₅Cu₅合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1360MPa、断裂强度1690MPa、塑性变形量9％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.79μm/年。

实施例4

制备化学分子式为Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Fe₃的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Fe₃的称量Zr、Al、Co、Ni、Fe纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至3×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼4遍，得到Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Fe₃的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为32秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Fe₃合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Fe₃合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1100MPa、断裂强度1650MPa、塑性变形量14％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.78μm/年。

实施例5

制备化学分子式为Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃的称量Zr、Al、Co、Ni、Cu纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2550℃；反复熔炼6遍，得到Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为50秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1210MPa、断裂强度1680MPa、塑性变形量15％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.86μm/年。

实施例6

制备化学分子式为Zr₄₈Al₈Co₃₈Cu₃Fe₃的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₈Al₈Co₃₈Cu₃Fe₃的称量Zr、Al、Co、Cu、Fe纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至4.5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼5遍，得到Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₃Cu₃的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为45秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₈Al₈Co₃₈Cu₃Fe₃合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₈Al₈Co₃₈Cu₃Fe₃合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1180MPa、断裂强度1570MPa、塑性变形量10％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.62μm/年。

实施例7

制备化学分子式为Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₂Fe₂Cu₂的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₂Fe₂Cu₂的称量Zr、Al、Co、Ni、Fe、Cu纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至4×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500℃；反复熔炼5遍，得到Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₂Fe₂Cu₂的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为20秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₂Fe₂Cu₂合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₈Al₈Co₃₈Ni₂Fe₂Cu₂合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1150MPa、断裂强度1610MPa、塑性变形量13％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.74μm/年。

实施例8

制备化学分子式为Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀的称量Zr、Ti、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼5遍，得到Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为40秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1350MPa、断裂强度1480MPa、塑性变形量2％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.33μm/年。

实施例9

制备化学分子式为Zr₄₅Nb₅Al₁₀Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₅Al₁₀Co₄₀的称量Zr、Nb、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至2×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2800℃；反复熔炼4遍，得到Zr₄₅Nb₅Al₁₀Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为50秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Nb₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Nb₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1360MPa、断裂强度1700MPa、塑性变形量14％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.19μm/年。

实施例10

制备化学分子式为Zr₄₅Ta₅Al₁₀Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ta₅Al₁₀Co₄₀的称量Zr、Ta、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至2×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2800℃；反复熔炼6遍，得到Zr₄₅Ta₅Al₁₀Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为60秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ta₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ta₅Al₁₀Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1400MPa、断裂强度1500MPa、塑性变形量2％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.09μm/年。

实施例11

制备化学分子式为Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀的称量Zr、Ti、Nb、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2500℃；反复熔炼4遍，得到Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为50秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1340MPa、断裂强度1650MPa、塑性变形量10％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.21μm/年。

实施例12

制备化学分子式为Zr₄₅Ti₃Ta₃Al₉Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₃Nb₃Al₉Co₄₀的称量Zr、Ti、Ta、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至2.5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2650℃；反复熔炼6遍，得到Zr₄₅Ti₃Ta₃Al₉Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为39秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ti₃Ta₃Al₉Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ti₃Ta₃Al₉Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1370MPa、断裂强度1490MPa、塑性变形量2％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.17μm/年。

实施例13

制备化学分子式为Zr₄₅Nb₃Ta₃Al₉Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Nb₃Ta₃Al₉Co₄₀的称量Zr、Nb、Ta、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至5×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼4遍，得到Zr₄₅Nb₃Ta₃Al₉Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为45秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Nb₃Ta₃Al₉Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Nb₃Ta₃Al₉Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1380MPa、断裂强度1610MPa、塑性变形量7％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.12μm/年。

实施例14

制备化学分子式为Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₉Co₄₀的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₉Co₄₀的称量Zr、Ti、Nb、Ta、Al、Co纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至1×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2700℃；反复熔炼5遍，得到Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₉Co₄₀的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为30秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₉Co₄₀合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₉Co₄₀合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1340MPa、断裂强度1600MPa、塑性变形量6％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.20μm/年。

实施例15

制备化学分子式为Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₈Co₃₅Fe₂Cu₂Ni₂的高强韧锆合金，具体地操作如下：

按原子百分比Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₈Co₃₅Fe₂Cu₂Ni₂的称量Zr、Ti、Nb、Ta、Al、Co、Fe、Cu、Ni纯元素，且各元素的质量百分比纯度均不低于99.0％，混合均匀后得熔炼原料，备用；将所得的熔炼原料放入真空冶炼炉中，调节真空冶炼炉的真空室的真空度至2×10^-3Pa，并在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下进行熔炼，熔炼温度2600℃；反复熔炼4遍，得到Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₈Co₃₅Fe₂Cu₂Ni₂的母合金；让得到的母合金仍然在质量百分比纯度≥99.999％的高纯氩气保护下，利用真空冶炼炉的水冷铜坩埚对该母合金进行冷却，该母合金由液态到固态的冷却时间为50秒，然后继续保持真空冶炼炉的铜坩埚水冷状态，将母合金在真空冶炼炉内继续冷却至室温后取出，则得组织均匀的Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₈Co₃₅Fe₂Cu₂Ni₂合金铸锭即所述高强韧锆合金。

将本实施例制得的Zr₄₅Ti₂Nb₂Ta₂Al₈Co₃₅Fe₂Cu₂Ni₂合金铸锭用线切割方法截取其中间部分的断面，进行研磨抛光后，采用X射线衍射测试确定晶相，结果表明合金的晶相为ZrCo相和ZrAlCo共晶相；同时采用扫描电子显微镜观察组织形貌，ZrAlCo共晶相晶粒均匀弥散分布在ZrCo相晶粒周围；截取规格为2mm×2mm×4mm的该合金铸锭试样，测试其压缩力学性能，则知该合金铸锭的屈服强度1330MPa、断裂强度1640MPa、塑性变形量10％；采用1mol/L的HCl浸泡实验测试合金铸锭，得知其腐蚀速率为0.57μm/年。

综上，本发明各实施例获得的高强韧锆合金的力学性能和耐腐蚀性能的参数整理后如下表1所示：

表1高强韧锆合金的性能参数

且通过上述各实施例可知，本发明能够获得含有ZrCo相的Zr-Al-Co合金，并通过在Zr-Al-Co合金中合金化Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu中的至少一种，来同时提高合金的强度和塑性变形能力；本发明选择Zr₅₀Al₁₀Co₄₀合金作为基础成分，该合金为具有ZrCo相和ZrAlCo共晶相的复相材料，由于ZrCo相为B2相结构，在变形过程中能发生马氏体相变，具有优异的塑性变形能力，ZrAlCo金属间化合物具有较高的硬度，均匀弥散分布在ZrCo相周围，能够起到弥散强化的作用；进一步在该合金基础上添加Ti、Nb、Ta、Fe、Ni、Cu元素进行固溶强化，并通过控制合金化元素含量来控制组织结构，起到调控合金力学性能和耐腐蚀性能的作用。

因此，本发明制得的高强韧锆合金具有高的压缩屈服强度(1100～1400MPa)和压缩断裂强度为(1350～1710MPa)，同时具有良好的压缩塑性变形性能与优异的耐腐蚀性能；同时公开了该高强韧锆合金的制备方法，整个制备过程简单易于操作，仅需要在真空冶炼炉熔炼后直接利用其铜坩埚底部流动的水进行冷却，避免了现有锆合金生产中的锻造、轧制、热处理等加工工序，大大降低了生产成本；因此，综合本发明高强韧锆合金的优良性能，使其为结构材料、航空航天、医疗器械等领域拓宽了材料的选择，即具有很好的应用前景。