一种厘米级大晶粒纯锆的制备方法

摘要

本发明公开了一种厘米级大晶粒纯锆的制备方法，包括以下步骤：取锆材料，再将锆材料加热至锆的相变温度以下，再进行保温，然后将锆材料进行若干次高温循环加热及若干次低温循环加热，使得锆材料中的α相与β相之间相互完全转变，最后保温后随炉冷却至室温，得厘米级大晶粒纯锆，该方法能够制备得到大晶粒纯锆，并且制备方法简单，对设备及真空度要求较低。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种厘米级大晶粒纯锆的制备方法。

背景技术

金属锆及其合金具有优良的核性能、高温力学性能和机械加工性能，在核能、冶金、航天航空领域得到广泛应用。由于其热中子俘获截面小，熔点高，具有优良的耐热、耐酸碱腐蚀性能，锆及其合金作为不可替代的结构材料被大量应用在核反应堆中，例如压水堆中铀燃料元件的包壳和堆芯结构材料。由于核能作为一种高能量密度的新型绿色能源，锆及其合金在核反应堆中的用量与需求日益增加，因此对锆的材料性能的研究具有工程应用价值。此外，锆粉通常被用来涂抹在真空管或者仪表阳极或者受热的位置处，以清除仪器中氮气、氢气或者氧气，延长仪器的使用寿命。与多晶材料相比，锆单晶材料没有晶界存在，具有良好的微观组织性能、更高的高温强度与抗高温蠕变性能以及更低的韧脆转变温度，可以显著提高构件稳定性和工作寿命，是理想的高温结构材料。在理论研究方面，可以利用锆单晶精确测定材料的物理性质和力学性能等对结构敏感的性质。但是在国内、外市场上单晶纯锆的成本极高。

目前制备单大晶粒纯锆的方法主要有两种。一种是应变退火。即将样品先进行预变形处理，随后在真空环境下加热到800℃～860℃，保温10天左右。但是这种方法耗时长，对初始样品要求较高，生长出的单晶较小，效率低。另外一种方法是通过浮区熔炼技术，通过加热电子束和高频线圈，借助电磁搅拌来实现单晶熔炼。但是锆的熔点高达1825℃，这种方法对设备以及真空度要求极高，生长单晶困难；而且熔炼过程会不可避免的引入其他杂质，生产质量不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种厘米级大晶粒纯锆的制备方法，该方法能够制备得到大晶粒纯锆，并且制备方法简单，对设备及真空度要求较低。

为达到上述目的，本发明所述的厘米级大晶粒纯锆的制备方法包括以下步骤：取锆材料，再将锆材料加热至锆的相变温度以下，再进行保温，然后将锆材料进行若干次高温循环加热及若干次低温循环加热，使得锆材料中的α相与β相之间相互完全转变，最后保温后随炉冷却至室温，得厘米级大晶粒纯锆。

将锆材料加热至锆的相变温度以下，再进行保温的过程中，将锆材料加热至662℃～862℃，加热速度为7℃/min～12℃/min，保温时间为60min～240min。

一次高温循环加热的具体操作为：先将锆材料以0.5℃/min～7℃/min的加热速度加热至900℃～1600℃，保温20min～60min后再以0.5℃/min～7℃/min的降温速度降温至662℃～862℃，然后再进行保温0-60min。

一次低温循环加热的具体操作为：先将锆材料以0.5℃/min～7℃/min的加热速度加热至863℃～900℃，保温20min-60min后再以0.5℃/min～7℃/min的冷却速度冷却至662℃～862℃，然后进行保温0-60min。

保温后随炉冷却至室温的过程中，保温温度为662℃～862℃，保温时间为30min～120min。

将锆材料进行2-6次高温循环加热及2-6次低温循环加热。

锆材料为结晶锆、锆板材、锆靶材、锆条或锆棒。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的厘米级大晶粒纯锆的制备方法在具体操作时，将锆材料进行若干次高温循环加热及若干次低温循环加热，使得锆材料中的α相与β相之间相互完全转变，以获得厘米级大晶粒纯锆，操作简单、方便，对设备及真空度要求较低，经试验，本发明可获得晶粒尺寸从400μm到10000μm的纯锆，所制得的锆块与初始材料相比碳、氧含量几乎不变，工艺简单，制备效率高。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例一制备得到的锆块体的俯视图；

图3为实施例一制备得到的锆块体的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所需设备包括分子泵及管式炉，具体操作过程为：

1)取锆材料，锆的相变温度为862℃，对锆材料进行预处理，其中，锆材料为结晶锆、锆板材、锆靶材、锆条或锆棒，将锆材料放置到炉膛中，并通过分子泵对炉膛进行抽真空，将炉膛抽真空至4×10⁵Pa，在关闭分子泵，打开Ar气瓶，向炉膛内通入Ar气，使得炉膛恢复到常压，再关闭Ar气瓶，再打开分子泵抽真空至4×10⁵Pa；

2)将锆材料加热至锆的相变温度以下，再进行保温，然后将锆材料进行2-6次高温循环加热及2-6次低温循环加热，使得锆材料中的α相与β相之间相互完全转变，最后在662℃～862℃的温度下保温30min～120min后随炉冷却至室温，关闭炉膛开关及分子泵，取出样品，得厘米级大晶粒纯锆。

其中，将锆材料加热至锆的相变温度以下，再进行保温的过程中，将锆材料加热至662℃～862℃，加热速度为7℃/min～12℃/min，保温时间为60min～240min。

一次高温循环加热的具体操作为：先将锆材料以0.5℃/min～7℃/min的加热速度加热至900℃～1600℃，保温20min～60min后再以0.5℃/min～7℃/min的降温速度降温至662℃～862℃，然后再进行保温0-60min。

一次低温循环加热的具体操作为：先将锆材料以0.5℃/min～7℃/min的加热速度加热至863℃～900℃，保温20min-60min后再以0.5℃/min～7℃/min的冷却速度冷却至662℃～862℃，然后进行保温0-60min。

具体实施步骤为：

取锆材料，对锆材料进行预处理的具体操作为：用线切割在初始多晶锆板上加工出2cm*1cm*10cm的方形锆块；

依次用180#及320#砂纸将锆块表面线切割氧化层打磨掉；

依次用500#，800#，1200#砂纸，配合酒精将打磨掉氧化层的锆块表面磨平整及光亮；

按照配比HF：HNO3：H2O＝1:4:5将锆表面用棉签轻轻擦拭腐蚀；

将样品放进管式炉的中心位置，管式炉两端分别连接Ar气瓶和分子泵；

接着对炉膛内部进行洗气处理。

实施例一

本实施例中在高温循环加热及低温循环加热的过程中，先以10℃/min的速度快速加热到840℃，保温180min，再以1℃/min的速度慢速加热至1200℃，保温60min，以1℃/min的速度慢速冷却至840℃；再次以1℃/min的速度慢速加热至1200℃，保温60min，以1℃/min的速度慢速冷却至840℃，重复四次，再在840℃下保温120min后，再以1℃/min的速度慢速加热至880℃，保温60min，以1℃/min的速度慢速冷却至840℃，在840℃下保温120min，再次以1℃/min的速度慢速加热至880℃，保温60min，以1℃/min的速度慢速冷却至840℃并保温120min，重复三次，然后在840℃下保温120min，随炉冷却。

参考图2及图3，用肉眼可以清晰观察到样品表明腐蚀出的晶界，晶粒尺寸最大达到10mm。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。