非均匀Zr_Ti材料的可控制备及性能调控.pdf

中文摘要 摘 要 Zr 合金具有优异的耐腐蚀、抗辐照性能、较低的热中子吸收截面等，广泛 应用于核电领域，在化工、生物医用以及航空航天等领域具有重要的应用潜力。 然而，传统核电用 Zr 合金的强度较低，无法满足关键结构件的力学性能要求。 而基于传统强化方法开发的新型 Zr 合金，其强度提升时，塑性往往显著降低， 无法满足塑性加工制备以及服役安全需求。近年来大量研究表明，具有非均匀 结构的层状结构材料、梯度结构材料等在强度和塑性匹配方面具有良好的表现。 基于 Zr-Ti 二元体系可实现无限固溶的特征，本文以纯 Zr 和纯 Ti 板材为原 料，采用预变形-扩散退火法，成功制备出耦合了层状结构和梯度结构的 Zr/Ti 非均匀结构材料。采用不同温度的单次淬火、多级热处理及轧制-退火等处理工艺 对所制备的层状梯度 Zr/Ti 材料开展了进一步的组织和性能调控。采用 SEM、EBSD 等表征了 Zr/Ti 层状梯度材料在不同处理状态时的宏/微观组织，并采用显微硬度、 压缩与拉伸等对其力学性能进行了测试。研究结果表明： ① 所制备的 Zr/Ti 层状梯度材料由 Zr 层、Ti 层和 Zr-Ti 互扩散层（中间层） 交替分布组成，中间层内的 Zr 、Ti 元素呈梯度分布，中间层的厚度及 Zr/Ti 层状梯 度材料的平均硬度与强度随扩散退火的温度和保温时间的增加而增加，其强度可 高于单纯的 Zr 组元和 Ti 组元； ② 不同温度的淬火处理会在中间层内引入细小的淬火马氏体组织，进而在中 间层内形成淬火亚层、Zr 富集亚层和 Ti 富集亚层三个亚层结构，且淬火亚层的 厚度以及 Zr/Ti 层状梯度材料的强度随着淬火温度的升高而增加；通过多级热处 理，可在中间层内引入多个亚层，从而形成多尺度分级结构，这种特殊的构型对 Zr/Ti 材料具有额外的强化效果；冷轧-退火对 Zr/Ti 层状梯度材料 Zr 层和 Ti 层的 晶粒实现了有效的细化，提高了Zr/Ti 层状梯度材料的强度。 对于所制备的 Zr/Ti 层状梯度结构材料，在不改变其整体化学成分的前提下， 通过改变材料内部的层状、梯度构型调控其宏观力学性能，实现了屈服强度从 370 MPa 到 840 MPa 之间的调控并保持较好的塑性，为满足更多应用场景对 Zr 合金特 殊力学性能需求奠定了基础。 关键词：新型 Zr 合金；非均匀结构；层状结构；梯度结构；强韧化 I 英文摘要 ABSTRACT Zirconium (Zr) and its alloys are widely used in the nuclear industry because of their excellent corrosion resistance, radiation resistance, and small neutron absorption. Based on these superior properties, Zr alloys have important application potentiality in chemistry, biomedical materials and aerospace fields. However, the conventional zirconium alloys for nuclear power have low strength and cannot meet the mechanical properties requirements of many key structural parts. In addition, when the strength of the new Zr alloy developed based on the traditional st