一种高强耐蚀锆铈二元合金及其制备方法

本发明涉及锆合金领域，特别涉及一种高强耐蚀锆铈二元合金及其制备方法。

背景技术：

1、锆(zr)及锆合金具有热中子截面吸收率低的特性，锆的中子吸收截面积为(0.18×10﹣28m2)，有效减少辐射对材料本身造成的损伤，且锆密度不大(6.49g/cm3)，热膨胀系数小，熔点较高(1825℃)，因而在严苛环境下完成工作的显著优势，在高温高压的环境下仍然具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，广泛用于乙酸应用，还有化工行业和核工业领域。锆的优良的抗腐蚀性能可以体现在高温条件下，在充满水和蒸汽的环境中，依然性能良好。并且锆在核反应堆重具有非常优异的抗中子辐照性能，且有很强的力学性能和良好的加工性能。锆及锆合金是核动力反应堆的优异的结构材料，也是其燃料包壳材料，有广泛的应用价值。

2、锆是一种活泼金属，但其表面可形成致密的氧化膜，如果钝化区若遭到破坏，锆及锆合金的腐蚀性能迅速下降，往往会造成不可避免的损失。因此从这方面来讲，锆需要提高抗腐蚀性能。近年来，锆合金在化工，生物医学、海洋工程等非核领域也呈现出了需求逐年上升的趋势，对锆合金的力学要求不断提高，然而目前我国新型工业锆产品还处于研制的初级阶段，因此研究如何提高锆合金力学性能具有重大意义。

3、稀土金属由于其独特的化学性质，广泛应用于高新技术领域，如电子、通信、光学、磁性材料和催化剂等。此外，稀土金属还在绿色能源、节能环保、新材料等领域有广泛应用。研究表明稀士金属铈(ce)可以改善合金的力学性能和耐腐蚀性能，通过杨等对ce掺杂铝(al)合金的研究，发现ce加入al合金可极大地细化晶粒，同时生成al11ce3第二相，起到第二相强化的作用，极大改善al合金的硬度、强度、耐高温性、导电性。我国稀土资源丰富(ce含量达0.0046％)，对稀土潜在价值的研究，对于推动经济结构转型和升级具有重要意义。

4、当前技术中，关于锆合金的二元合金的研究通常集中于加入β相稳定元素(如：“cn115896496b一种高强韧锆铁二元合金及其制备方法”)，是利用铁元素对锆合金微观结构的影响的机理(是利用铁元素导致β相的稳定性增加，从而合金具有更高的位错密度和更复杂的结构)来提高锆合金的硬度强度，但由于α/β相边界的数量、氧化膜特性的因素，这对于锆合金良好力学性能与耐腐蚀性能的综合性能改善有限；因此，加大对混合型二元锆合金的研究很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种强韧耐蚀锆铈二元合金及其制备方法。该合金通过铈元素的加入，促进形成更加稳定和致密的氧化膜，并且降低α/β相边界的数量，可有效改善锆合金耐腐蚀性能和综合力学性能。本发明得到的合金与原有不含铈元素的锆相比，在室温环境中表现出优异的屈服强度和硬度以及良好的耐腐蚀性能，除以上外，还具有生产工艺简单、塑性良好等特点。

2、本发明的技术方案为：

3、一种高强耐蚀锆铈二元合金，该合金中两种种元素所占原子比分别为：zr 99～99.9at％，ce0.1～1.0at％，余量为不可避免的杂质。

4、所述的高强耐蚀锆铈二元合金的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将纯锆和纯铈分别加入无水乙醇超声清洗18～20min后，吹干，并按照设计比例进行配料；

6、(2)将所配好的物料置于非自耗真空电弧熔炼炉的坩埚中，关闭阀门，抽高真空至0.92～1.02×10-3pa；

7、(3)向电弧炉腔体内充入高纯氩气，然后进行引弧熔炼；每次熔炼4-6分钟，打开电磁搅拌技术并反复熔炼及翻转铸锭6-8次，冷却后得到铸锭合金；

8、其中，熔炼电流为140～150a/s；

9、(4)将铸锭放入真空高温管式炉中，经过2～4次洗气过程后，高纯氩气氛围、800～1100℃下保温退火4～6小时，随炉冷却至室温，得到高强韧锆铈二元合金。

10、所述的高纯氩气的纯度为99.999％；

11、上述的纯锆为工业级海绵锆，纯铈的纯度为99.9％。

12、步骤(3)和步骤(4)中的氩气的压力为-0.04mpa～-0.06mpa。

13、本发明的实质性特点为：

14、本发明所用的材料为锆和铈元素，由于所添加的元素种类的不同，其单质元素的基本性质(熔点和沸点)也会不同；另外，铈的掺入的比例不同，其合金的相变转换温度也有所不同。

15、本发明通过大量研究和实验，在熔炼电流为140-150a/s的电流下(当前技术通常为80-100a/s)得到了锆铈二元合金，0.1at.％ce含量的锆铈二元合金晶相微观组织是β晶界的双相组织，α板条转变为针状组织，减小双相钛合金的α和β两相层的间距，晶界变粗，材料的微观组织与性能得到改善，表现出良好的塑性和力学性能，以及耐腐蚀性。

16、本发明的有益效果为：

17、1、相比较锆金属，通过引入适量的铈元素，所制得的锆铈二元合金具有屈服强度高、硬度更大，韧性良好等特点；

18、2、我国铈稀土元素储存丰富，ce元素的引入，提高金属β相的稳定性并抑制α相，更有利于调金的微观组织；

19、3、相比于锆金属，本发明中所有含铈元素锆铈二元合金的维氏硬度相对比材料提升了11％～12％，耐腐蚀性能得到了有效改善，可以广泛应用于工程结构件的领域；

20、4、锆铈系列合金加工过程简单。

1.一种高强耐蚀锆铈二元合金，其特征为该合金中两种种元素所占原子比分别为：zr99～99.9at％，ce0.1～1.0at％，余量为不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的所述的高强耐蚀锆铈二元合金的制备方法，其特征为包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的所述的高强耐蚀锆铈二元合金的制备方法，其特征为所述的高纯氩气的纯度为99.999％。

4.如权利要求2所述的所述的高强耐蚀锆铈二元合金的制备方法，其特征为上述的纯锆为工业级海绵锆，纯铈的纯度为99.9％。

5.如权利要求2所述的所述的高强耐蚀锆铈二元合金的制备方法，其特征为步骤(3)和步骤(4)中的氩气的压力为-0.04mpa～-0.06mpa。