高强度锆合金成分设计及强化机理研究

锆具有高强度、低密度和良好的抗腐蚀性等特点，因此在空间、化工和核工业中具有重要应用。锆及其合金的力学性质可以通过控制其晶体结构和微观组织得以明显改变，对于此类材料来说，通过压力和合金化的方法可以有效调控其相组成，从而调节锆合金的力学性能。本课题将结合计算机设计和高温高压等手段开展锆合金成分设计和高压相变研究，拟设计并合成出2-3种具有良好综合力学性能的锆基合金。研究合金组织结构与成分和工艺因素之间的关系，优化成分、组织与性能。开展热处理、微细化等手段对锆系合金材料强韧化过程的研究，研究不同手段获得锆系合金材料高强韧的物理机制。采用高温高压、真空自耗熔炼电弧炉、高能球磨以及等离子放电烧结等方法制备锆合金，研究其组织与成分和不同工艺因素之间的关系，优化成分、组织与性能；弄清锆合金的强化机理和规律，以及压力和温度对锆基合金亚稳相形成、相演化及性能的影响规律。

锆合金具有高强度、中子吸收截面小、抗辐照和耐腐蚀等特点，因此在空间、化工和核工业中具有重要应用。与合金钢及其它合金材料相比，锆及锆合金具有三个重要潜质：它是在核反应堆里经过长期考验的优质抗核辐照材料，具有抗辐照损伤的潜质；具有优异的抗腐蚀性能，具有抗原子氧侵蚀的潜质；膨胀系数小，结构与尺寸稳定，可做精密零部件，具有抗交变温度和可精密加工的潜质。因此，它有望承受空间辐照、原子氧侵蚀、低温及交变温度的影响，具有作为空间机构活动构件材料使用的发展潜力。另外，锆合金的高抗腐蚀性，使其有望在废水、废气、废化学液体等处理方面作为结构材料获得重要应用。因此，开发设计具有优异力学性能的新型锆合金成为拓宽锆合金应用领域的关键环节。本课题对锆及其合金进行了系统的理论和实验研究。材料的宏观性质与其微观的电子结构密切相关，基于密度泛函理论结合Bader电荷密度拓扑和拉普拉斯分析等方法，对锆及其合金的电子结构和性质进行了深入研究。弄清了锆合金电子结构的特性，其具有很窄的d电子能带，处于较宽的s和p电子能带中间，揭示了锆合金电子成键特性，弄清了锆合金中典型相的剪切模量、杨氏模量及韧脆性本质与电子结构的关系。采用VCA虚晶近似理论和SQS准无序模型等方法进行了锆合金无序占位构型的固溶体和化合物性能计算，并成功应用于Zr-Ti、Al、V、Nb等合金体系的固溶强化研究当中，查明了不同合金元素的强化效果，为合金成分设计提供了理论依据。基于结构强化及无序固溶强化等强化机制，提出了锆合金强化设计方法，成功设计开发了5种新型高强度锆合金体系，其拉伸强度>1200MPa，塑性>5%，密度比常用钢降低30%，具有良好的综合力学性能。本课题的研究对推动锆合金在空间机构构件以及在耐酸、碱、盐和污水处理等领域的应用，进一步拓宽锆合金的应用范围，具有重要的科学意义和应用前景。