[发明专利]一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金，包括锆合金基体、弥散分布于锆合金基体中的Y‑Ti‑O和Y‑Zr‑O纳米氧化物析出相，其中，Y‑Ti‑O和Y‑Zr‑O纳米氧化物析出相的粒度为2‑10nm，数密度为1‑3×10¹⁵个/m²。本发明提供的纳米氧化物弥散增强耐热锆合金，通过机械合金化和热致密化方式实现溶质的回溶再析出机制，在锆合金基体中获得高数密度、低纳米尺度、高热稳定性、弥散分布的Y‑Ti‑O和Y‑Zr‑O纳米氧化物相，可大幅提高锆合金的强度和耐热性。本发明还提供一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金的制备方法。

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金及其制备方法。

背景技术

锆合金具有中子吸收截面低、耐腐蚀、易加工成形、辐照稳定性能好等优点，被广泛应用于制造核反应堆燃料包壳管等核心结构部件。目前核用锆合金均采用熔铸方法制备，经热处理形成金属间化合物类型的析出相，实现锆合金基体的弥散强化。存在铸锭偏析严重、组织成分不均匀，且晶粒粗大，加上金属间化合物的热稳定性较差，在高温服役条件下析出相和晶粒均易发生迅速粗化，从而严重限制了锆合金的服役温度和强度等问题。由于这些局限，尽管纯锆的熔点高达1850℃，但目前核用锆合金工作温度一般不能超过350℃。

随着先进三代半和在研第四代核反应堆技术的发展，急需一种工作温度可达500℃以上的高强耐热锆合金。

鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的锆合金材料以解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金，通过机械合金化和热致密化方式实现溶质的回溶再析出机制，在锆合金基体中获得高数密度、低纳米尺度、高热稳定性、弥散分布的Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米氧化物相，可大幅提高锆合金的强度和耐热性。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金，包括锆合金基体、弥散分布于锆合金基体中的Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米氧化物析出相，其中，Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米氧化物析出相的粒度为2-10nm，数密度为1-3×10¹⁵个/m²。

进一步地，纳米氧化物析出相的结构为Y₂Ti₂O₇和Y₂Zr₂O₇。

进一步地，锆合金基体包括按重量百分比计的如下成分：

Sn 1.2-1.6％，Fe 0.2-0.5％，Cr 0.1-0.3％，余量为Zr及不可避免的杂质。

本发明还提供一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，将锆合金块进行氢化脱氢处理，得到预合金粉末；

步骤S2，将含有Y、Ti、O元素的粉末材料、预合金粉末放入高速摆振球磨机，在惰性气体保护下充分混合，得到混合粉末；

步骤S3，将混合粉末在惰性气体保护下进行高能球磨，溶质元素以Y、Ti、O固溶原子形式回溶进基体，形成超过饱和固溶体结构的机械合金化粉末；

步骤S4，将机械合金化粉末冷压成坯块，装入包套抽真空，对坯块进行致密化，在锆合金基体中固溶的溶质原子重新反应析出，形成弥散分布的Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米氧化物析出相，其中，Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米氧化物析出相的粒度为2-10nm，数密度为1-3×10¹⁵个/m²。