一种ZrTiAlV合金半熔融态压缩处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种合金的处理方法，特别是锆合金的半熔融态压缩处理方法。
【背景技术】
[0002]锆合金是经过长期考验的优质抗核辐照材料，具有抗辐照损伤的潜质；并且有优异的抗腐蚀性能，具有抗原子氧侵蚀的潜质；其膨胀系数小，结构与尺寸稳定，可做精密零部件，具有抗交变温度和可精密加工的潜质。而ZrTiAlV四元锆合金，不仅具有较好的塑性，同时具有较高的强度，是结构材料领域发展较为迅速的锆合金品种之一。
[0003]刘日平、梁顺兴等人首先合成了 47Zr-45T1-5Al-3V合金，并对锻造态、退火态以及固溶处理后的材料性能进行了深入的研究，明确了材料在各种状态下所具备的基本力学性能和微观组织。发现采用锻造开坯-挤压工艺制备的47Zr-45T1-5Al-3V合金组织性能存在不均匀特性，且均为α相和β相的混合组织，需要再通过后续的工艺进行处理，以提高其组织性能的均匀性和综合力学性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种能够得到比较纯净的β相组织的ZrTiAlV合金半熔融态压缩处理方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]1、模具
[0007]模具整体材料为高强度石墨，下压头与筒形模套为一体，圆柱体合金置于筒形模套内，以防半熔融态处理过程中半熔融状态的金属从下压头与筒形模套间隙中挤出，上压头位于筒形模套的合金上，上压头上设有上垫块，下压头上设有下垫块，模具放置时，需将模具下端的凸起放置在烧结机的下压头上。
[0008]2、半熔融态压缩处理方法
[0009]首先将直径为20?32mm，高度为20?35mm的圆柱体47Zr-45T1-5Al-3V合金装入上述模具内，再将合金与模具整体放置于放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)设备上进行电场和压力辅助高温半熔融态压缩，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再抽真空到10—3Pa以下，通过加载3000?5000A脉冲电流，使合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1200?1600°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却，最终得到半熔融态压缩ZrTiAlV合金。
[0010]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0011]1、预先采用电场辅助高温半熔融态压缩处理工艺对原始47Zr-45T1-5Al-3V合金进行处理，其温度在47Zr-45T1-5Al-3V的半熔融态转变区，有利于合金组织和性能的均匀化，同时远远高于α相到β相的转变温度，从而可得到纯净的β相组织。
[0012]2、处理后的47Zr-45T1-5Al-3V合金具有较好的综合力学性能，其晶粒尺寸分布均匀，晶粒尺寸在300?320μπι之间，屈服强度在llOOMPa?1200MP之间，抗拉强度在1400MPa?1500MPa之间，延伸率在9.8?11.5 %之间，可实现47Zr-45Ti_5Al_3V合金在工程领域的应用。
【附图说明】
[0013]图1为本发明电场辅助半熔融态压缩处理模具的示意简图。
【具体实施方式】
[0014]在图1所示的电场辅助半熔融态压缩处理模具示意图中，模具整体材料为高强度石墨，下压头5与筒形模套4为一体，圆柱形合金3置于筒形模套内，上压头2位于筒形模套4内的圆柱形合金3上方，上压头上设有上垫块1，下压头上设有下垫块6，模具放置时，需将筒形模套下端的凸起放置在烧结机的下压头上。
[0015]实施例1
[0016]将直径为20mm、高为20mm的47Zr-45T1-5Al-3V圆柱合金装入上述石墨模具内，将组装完成的合金及模具整体放置于放电等离子烧结机中，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再抽真空到10—3Pa以下，利用上、下压头及通电电极将特定的烧结电源和压制压力施加于47Zr-45T1-5Al-3V圆柱体上，通过加载3000A脉冲电流，使脉冲电流产生的等离子体使合金内部离子放电产热，合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1200°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却。压缩得到的472^4511-541-3￥合金圆柱体直径变为22111111、高度变为16.5111111，晶粒尺寸由原始350?40(^111变为300?31(^111。屈服强度119810^、抗拉强度148510^，塑性延伸率为9.8%。
[0017]实施例2
[0018]将直径为24mm、高为25mm的47Zr-45T1-5Al-3V圆柱合金装入上述石墨模具内，将组装完成的合金及模具整体放置于放电等离子烧结机中，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再抽真空到10—3Pa以下，利用上、下压头及通电电极将特定的烧结电源和压制压力施加于47Zr-45T1-5Al-3V圆柱体上，通过加载3500A脉冲电流，使脉冲电流产生的等离子体使合金内部离子放电产热，合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1200°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却。压缩得到的472^4511-541-3￥合金圆柱体直径变为26111111、高度变为21.3111111，晶粒尺寸由原始350?40(^111变为300?31(^111。屈服强度118610^、抗拉强度146910^，塑性延伸率为9.9%。
[0019]实施例3
[0020]将直径为28mm、高为30mm的47Zr-45T1-5Al-3V圆柱合金装入上述石墨模具内，将组装完成的合金及模具整体放置于放电等离子烧结机中，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再抽真空到10—3Pa以下，利用上、下压头及通电电极将特定的烧结电源和压制压力施加于47Zr-45T1-5Al-3V圆柱体上，通过加载4000A脉冲电流，使脉冲电流产生的等离子体使合金内部离子放电产热，合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1400°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却。此工艺压缩得到的472^451^-541-3￥合金圆柱体直径变为30111111、高度变为26.1111111，晶粒尺寸由原始350?400μπι变为305?315μπι。屈服强度1157MPa、抗拉强度1440MPa，塑性延伸率为10.7%。[0021 ] 实施例4
[0022]将直径为32mm、高为35mm的47Zr-45T1-5Al-3V圆柱合金装入上述石墨模具内，将组装完成的合金及模具整体放置于放电等离子烧结机中，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再抽真空到10—3Pa以下，利用上、下压头及通电电极将特定的烧结电源和压制压力施加于47Zr-45T1-5Al-3V圆柱体上，通过加载5000A脉冲电流，使脉冲电流产生的等离子体使合金内部离子放电产热，合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1600°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却。此工艺压缩得到的472^451^-541-3￥合金圆柱体直径变为34111111、高度变为31.0111111，晶粒尺寸由原始350?400μπι变为310?320μπι。屈服强度1113MPa、抗拉强度1425MPa，塑性延伸率为
11.5%。
【主权项】
1.一种电场辅助半熔融态压缩处理石墨模具，它包括上垫块、上压头、筒形模套和下垫块组成，其特征在于:模具整体材料为高强度石墨，下压头与筒形模套为一体，上压头位于筒形模套内的圆柱形合金上方，上压头上设有上垫块，下压头上设有下垫块，模具放置时，需将筒形模套下端的凸起放置在烧结机的下压头上。2.一种ZrTiAlV合金半熔融态压缩处理方法，其特征在于:将直径为20?32mm，高度为20?35mm的47Zr-45T1-5Al-3V圆柱合金装入权利要求1的石墨模具内，将组装完成的合金及模具整体放置于放电等离子烧结机中，上压头下行给合金施加lOMPa压力，再将真空度抽至IJ10—3Pa以下，利用上、下压头及通电电极将特定的烧结电源和压制压力施加于47Zr-45T1-5A1-3V圆柱体上，通过加载3000A?5000A脉冲电流，使脉冲电流产生的等离子体使合金内部离子放电产热，合金迅速升温至900°C，保温lOmin之后继续加载脉冲电流，使其升温至1200?1600°C进行高温半熔融态压缩，之后严格控制温度并保温20min，最后断电自然冷却，最终得到半熔融态压缩ZrTiAlV合金。
【专利摘要】一种ZrTiAlV合金半熔融态压缩处理方法，其主要是：将47Zr-45Ti-5Al-3V圆柱体合金置于模具内，然后置于放电等离子烧结机中，给合金施加10MPa压力，再抽真空度到10-3Pa以下，通过加载3000～5000A脉冲电流，使合金迅速升温至900℃，保温10min之后继续加载脉冲电流，使其升温至1200～1600℃进行高温半熔融态压缩，保温20min，最后断电自然冷却，最终得到半熔融态压缩ZrTiAlV合金。本发明有利于合金组织和性能的均匀化，得到纯净的β相组织；处理后的47Zr-45Ti-5Al-3V合金具有较好的综合力学性能，其晶粒尺寸分布均匀，晶粒尺寸在300～320μm之间，屈服强度为1100MPa～1200MP，抗拉强度为1400MPa～1500MPa，延伸率为9.8～11.5％。
【IPC分类】B22D27/02, B22D27/09
【公开号】CN105458229
【申请号】CN201510812255
【发明人】骆俊廷, 张春祥, 赵伯俊, 刘日平
【申请人】燕山大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月20日