ZrCr合金定向凝固组织演化及力学性能研究

作     者：黄腾达 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈光;郑功

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：ZrCr合金 定向凝固 组织演化 共晶转变 共析片层 

摘      要：Zr合金具有熔点高、中子吸收截面低、抗辐照及抗氧化性能好,耐腐蚀性能优异等特性,在核工业、航空航天、生物医药等领域具有广阔应用前景。但Zr合金还存在室温脆性大、高温强度不足等问题,限制了其进一步广泛应用。本文以一种Zr-Cr二元系合金为研究对象,采用定向凝固技术制备了具有定向柱状晶组织的ZrCr合金,强塑综合力学性能大幅改善;系统研究了其在不同抽拉速率条件下的固液界面形态及凝固组织演化规律,探究了合金定向共晶组织中析出共析片层的机制。取得的主要结果如下:1、ZrCr合金定向凝固过程中,首先发生液固相变析出胞状β-Zr初生相,随后剩余液相发生共晶转变L→β-Zr+α-ZrCr,生成一次蠕虫状α-ZrCr与β-Zr的共晶组织;随着温度的降低,共晶β-Zr发生固态相变,逐渐析出二次α-ZrCr相;最后,初生胞状β-Zr发生β-Zr(BCC)→α-Zr(HCP)+α-ZrCr共析转变,生成三次α-ZrCr与α-Zr的片层状组织。因此室温下的ZrCr合金由α-Zr相及α-ZrCr相组成。2、在本文实验条件下,随着定向凝固抽拉速率的增大,合金固液界面逐渐发生胞状树枝晶→树枝晶的转变;β枝晶生长方向逐渐趋近于择优取向,一次枝晶臂不断变细,胞状β-Zr初生相尺寸不断变小,同时共晶组织中析出的一次蠕虫状α-ZrCr相尺寸不断变小,β-Zr中析出的α-ZrCr与α-Zr共析片层组织不断变细。3、随着定向凝固抽拉速率的增大,合金沿定向生长方向的抗拉强度逐渐增大,伸长率呈先降低后升高的趋势。强度提高的原因在于β枝晶的不断细化以及生长取向的逐渐一致,故当抽拉速率增大至V=100μm/s时,合金的抗拉强度最大;伸长率先降低后升高的原因可能在于:低速率条件下β枝晶由等轴生长逐渐转变为择优生长但生长取向与定向生长方向不一致,速率逐渐提高β枝晶的生长方向与定向生长方向逐渐一致导致塑性逐渐上升。4、合金定向后沿生长方向的强度和塑性显著提高:室温压缩强度由铸态的1005 MPa提升至1351 MPa,提升34.4%;室温抗拉强度由铸态的481 MPa提升至576 MPa,提升19.7%;伸长率由铸态的0.2%提升至1%。