Спосіб зміцнення інтерметалідами сплаву на основі цирконію

Реферат: Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме - до способу зміцнення інтерметалідами сплавів на основі цирконію. Спосіб включає легування сплаву металами з групи: алюміній, молібден, олово, вольфрам, ванадій, з подальшим нагріванням легованого сплаву до температури вище температури α→ перетворення, після якого гартують сплав з утворенням фаз мартенситної ґенези, здійснюють відпуск загартованого сплаву при температурі розпаду фаз мартенситної ґенези на α-цирконій і відповідні дисперсні інтерметаліди, після відпуску здійснюють холодне деформування сплаву з деформацією, яка не перевищує 50-60 %, з подальшим швидкісним нагріванням сплаву джоулевим теплом до температури розвитку дорекристалізаційних процесів, але не вище температури рекристалізації α-цирконію. Винахід забезпечує підвищення ступеня подрібнення зеренної структури сплаву за UA 108961 C2 (12) UA 108961 C2 рахунок виділення дисперсних інтерметалідів, його термічної стійкості при температурах вищих за 300 °C на 100-150 °C. UA 108961 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме до способів легування, термомеханічної та електротермічної обробки сплавів на основі цирконію з метою їх зміцнення інтерметалідами для потреб ядерної енергетики та медицини. Відомий спосіб зміцнення сплавів на основі цирконію (цирконій - 1 мас. % ніобію або цирконій - 2,5 мас. % ніобію) термічною обробкою, що включає нагрівання сплаву вище температури α→β перетворення з наступним охолодженням, при якому високотемпературна βфаза розпадається на α-фазу та β2-фазу, яка відіграє роль стопорів границь зерен при нагріванні (Бродніковський М.П., Крапівка М.О., Зубець Ю.Ю. та інш. Вплив легування та термічної обробки на зміцнення сплавів на основі Zr-Nb // Електронна мікроскопія і міцність матеріалів, - 2012, вип.18. - С. 120-126). Недоліком відомого способу є те, що він не забезпечує необхідні показники міцності сплаву при температурах вищих за 300 °C, що суттєво обмежує ресурс його експлуатації в широкому діапазоні температур. Крім того, невелика кількість β2-фази, не дозволяє одержати необхідний стопорний ефект росту зерна матричного металу при температурах вищих за 300 °C. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб зміцнення сплаву на основі цирконію, що включає легування сплаву металами, які не розчинні у α-цирконії з подальшим нагріванням легованого сплаву до температури вище температури α→β перетворення та наступним охолодженням сплаву нижче температури β→α перетворення, при якому β-фаза сплаву розпадається на α-фазу і інтерметаліди (Фирстов С.А., Бродниковский Н.П., Зубец Ю.Е., Крапивка Н.А. и др. Легирование хромом и железом сплавов системы Zr-Nb // Труды XIX международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, 6-11 сентября 2010 г. С. 285-286). Недоліком відомого способу є те, що інтерметаліди в литих сплавах являють собою виділення розміром більше 10 мкм, через що вони не можуть слугувати ефективними бар'єрами руху границь зерен при нагріванні сплаву до температури, вищої за температуру рекристалізації та не можуть бути використані для зміцнення матричного металу при його подальшому холодному деформуванні. Крім того, інтерметаліди зазначеного розміру є постійним джерелом зародження крихких тріщин закритичного розміру, через повну відсутність технологічної пластичності у них, навіть при невеликих деформаціях. В основу винаходу поставлена задача розробки способу зміцнення інтерметалідами сплаву на основі цирконію шляхом легування сплаву металами, які не розчинні у α-цирконії та додаткової термомеханічної обробки, внаслідок чого подрібнюється зеренна структура сплаву за рахунок виділення дисперсних інтерметалідів, що забезпечує підвищення термічної стійкості сплаву при температурах вищих за 300 °C на 100-150 °C. Поставлена задача вирішується тим, що в способі зміцнення інтерметалідами сплаву на основі цирконію, що включає легування сплаву металами, які не розчинні у α-цирконії з подальшим нагріванням легованого сплаву до температури вище температури α→β перетворення, згідно з винаходом, легують сплав металами з групи: алюміній (Аl), молібден (Мо), олово (Sn), вольфрам (W), ванадій (V) і після подальшого нагрівання здійснюють гартування сплаву з утворенням фаз мартенситної ґенези, здійснюють відпуск загартованого сплаву при температурі розпаду фаз мартенситної ґенези на α-цирконій і відповідні дисперсні інтерметаліди, після відпуску здійснюють холодне деформування сплаву з деформацією, яка не перевищує 50-60 %, з подальшим швидкісним нагріванням сплаву джоулевим теплом до температури розвитку дорекристалізаційних процесів, але не вище температури рекристалізації α-цирконію. Заявлений спосіб пояснюється таблицею, де наведено гранично допустиму концентрацію металів при легуванні ними сплаву на основі цирконію, температури гартування та відпуску з утворенням відповідних інтерметалідів. Використання інших металів (легуючих компонентів) економічно недоцільне внаслідок високої ціни або порівняно низької температурної стійкості інтерметалідних фаз, які випадають. Визначення гранично допустимих концентрацій металів при легуванні ними сплаву на основі цирконію здійснено на основі аналізу даних, які наведено в науковій літературі стосовно структуроутворення при гартуванні легованого цирконію (Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Структура циркония и его бинарных сплавов // ФММ. - 1995. - Т.79. - Вып. 6. - С. 3-27). При цьому нижня та верхня допустимі межі концентрації легуючого компоненту обмежені можливістю одержання структур мартенситної ґенези з виключенням концентрацій, при яких можливе утворення в процесі гартування залишкових інтерметалідів неконтрольованих розмірів. 1 UA 108961 C2 5 10 15 20 25 В залежності від цільового призначення сплаву на основі цирконію (ядерна енергетика або медицина) вибір металу для його легування проводиться з урахуванням економічної складової при незмінності загальної технологічної схеми способу, який заявляється, з оглядом на санітарно-гігієнічні норми та безпечну для здоров'я концентрацію металу для сплавів на основі цирконію медичного призначення. Запропонований спосіб реалізується наступним чином. Сплав на основі цирконію, наприклад Е110, легують металами з групи: алюміній (Аl), молібден (Мо), олово (Sn), вольфрам (W), ванадій (V) з подальшим нагріванням легованого сплаву до температури вище температури α→β перетворення, після чого здійснюють гартування сплаву з утворенням фаз мартенситної ґенези (ω, α, α), які рівномірно розподіляються в α-матриці. Здійснюють відпуск загартованого сплаву при температурі розпаду фаз мартенситної ґенези на α-цирконій і відповідні дисперсні інтерметаліди, які рівномірно розподіляються в великозернистій матриці α-цирконію та розміри яких визначаються дисперсністю мартенситних фаз, що утворюються при гартуванні. Утворення великих зерен матричного металу пояснюється тим, що температура рекристалізації цирконію 160-170 °C, тобто майже на 550-600 °C нижче температури, яка визначається правилом Бочвара для більшості інших металів. Для подрібнення зерен матричного α-цирконію, після відпуску, застосовується холодне деформування сплаву з деформацією, яка не перевищує 50-60 %, для запобігання виникненню деформаційних тріщин, спричинених перегартуванням металу. Заключна операція полягає в швидкісному нагріванні деформованого сплаву джоулевим теплом до температури розвитку дорекристалізаційних процесів у ньому, внаслідок чого утворюється дрібнозерниста структура α-фази, зміцненої високодисперсними інтерметалідами. Зі збільшенням швидкості нагрівання температура може бути значно вищою, що помітно скорочує тривалість самої операції і покращує структуру металу шляхом зменшення розміру зерен та звуження частотного інтервалу їх розкидання. Спосіб, який пропонується забезпечує подрібнення зеренної структури сплаву на основі цирконію за рахунок виділення дисперсних інтерметалідів, які здатні блокувати границі зерен сплаву при його нагріванні, що забезпечує підвищення термічної стійкості сплаву при температурах вищих за 300 °C на 100-150 °C. 30 Таблиця Значення гранично допустимих концентрацій металів, при легуванні ними сплаву на основі цирконію, параметри термообробки (температури гартування та відпуску) Метал Аl Мо Sn W V Концентрація, Мартенситні фази мас. % 0,5-1,2 0,5-6,0 1,0-5,0 0,1-0,6 0,2-1,0 α, α α, α, ω α α, α α Температура гартування, °C 870-920 800-860 1000-1080 820-850 500-650 відпуску, С 700-750 600-650 600-840 650 600-650 Інтерметаліди Zr3Al Mo2Zr Zr4Sn ZrW 2 Zr2V2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 1. Спосіб зміцнення інтерметалідами сплаву на основі цирконію, що включає легування сплаву металами, які нерозчинні у α-цирконії з подальшим нагріванням легованого сплаву до температури вище температури α→ перетворення, який відрізняється тим, що легують сплав металами з групи: алюміній, молібден, олово, вольфрам, ванадій, після подальшого нагрівання здійснюють гартування сплаву з утворенням фаз мартенситної ґенези, здійснюють відпуск загартованого сплаву при температурі розпаду фаз мартенситної ґенези на α-цирконій і відповідні дисперсні інтерметаліди, після відпуску здійснюють холодне деформування сплаву з деформацією, яка не перевищує 50-60 %, з подальшим швидкісним нагріванням сплаву джоулевим теплом до температури розвитку дорекристалізаційних процесів, але не вище температури рекристалізації α-цирконію. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легування сплаву здійснюють алюмінієм при допустимій концентрації 0,5-1,2 мас. %. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легування сплаву здійснюють молібденом при допустимій концентрації 0,5-6,0 мас. %. 2 UA 108961 C2 5 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легування сплаву здійснюють оловом при допустимій концентрації 1,0-5,0 мас. %. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легування сплаву здійснюють вольфрамом при допустимій концентрації 0,1-6,0 мас. %. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легування сплаву здійснюють ванадієм при допустимій концентрації 0,2-1,0 мас. %. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3