退火温度对钼锆合金组织和力学性能的影响

钼具有熔点高、热膨胀系数低，高温强度高、高温蠕变速率低等特性，被广泛应用于冶金、核能、机械、化工、航天航空、国防、医疗电子等领域[1-7]。然而，钼金属的再结晶温度低、高温强度低且蠕变性能差，材料性能已经很难满足各行各业的需要。为了扩大钼制品的使用领域，大量研究采用在钼中掺入其他元素的方法进行碳化物强化、固溶强化、弥散强化，以改善钼的再结晶温度、高温强度、抗氧化性能和耐磨、耐腐蚀性能[8-19]。

ZrO₂是一种耐高温、耐磨损、导电性好、化学稳定性强的无机非金属材料[20]。新型氧化锆增强钼合金在高温强度、高温耐腐蚀等性能上比钼合金基体均有很大的提升，其在玻璃行业、航天、军工，特别是太阳能行业的应用发展具有深远的意义[13，21-22]。本文采用粉末冶金法制备了钼锆合金，经过热轧、温轧得到相应的板材，研究了钼锆合金板材的微观组织和再结晶行为，以期为钼锆合金的实际应用提供参考。

1、试验材料与方法

以FMo-l钼粉与ZrO₂试剂为原料，采用粉末冶金法制备钼锆合金，按比例混合均匀后模压成型，然后中频感应烧结成厚度为12mm的钼锆合金板，合金板的断口形貌与化学成分分别见图1、表1。

钼锆合金烧结板坯被热轧、温轧成3mm的薄板。将轧制后的钼锆合金板在马弗炉进行退火，退火温度分别为900、1000、1100、1200、1300和1400℃，保温时间均为1h。退火后钼锆合金板的室温拉伸性能测试在万能试验机上进行，检测标准为GB/T228-2010，取3次测量结果的平均值；采用金相显微镜观察显微组织；采用HR-150型洛式硬度计测试硬度。

2、结果与讨论

2.1钼锆合金的组织及性能

图2为钼锆合金棒材烧结态和轧制态纵向金相组织形貌。由图2可以看出，烧结态晶粒呈细小等轴晶，大小均匀，晶界平直，平均晶粒尺寸为30μm左右。经轧制加工后，细小的等轴晶被拉长为纤维状组织。表2为烧结态和轧制态钼锆合金板的密度和硬度。由表2可以看出，经轧制加工后钼锆合金板的密度、硬度均显著提升。

2.2退火温度对钼锆合金组织的影响

图3为钼锆合金在不同温度退火1h后的组织形貌。由图3可看出，900～1000℃时，钼锆合金板材组织主要为纤维组织，处于去应力回复阶段；1100℃退火后，纤维条逐渐缩短，纤维边界存在细小的再结晶晶核（图3(c)），这表明1100℃时合金开始再结晶；1200℃退火后钼锆合金纤维组织进一步宽化，纤维变短向等轴晶转变，出现部分新的等轴晶粒，说明再结晶尚不充分；当退火温度达到1300℃时，合金显微组织全部转变为等轴晶，再结晶过程基本完成（图3(e)）；1400℃退火后晶粒尺寸明显长大（图3(f)）。

2.3退火温度对钼锆合金硬度的影响

图4为钼锆合金硬度与退火温度的关系。由图4可以看出，随着退火温度升高，钼锆合金晶界残余应力得到部分去除；到1000℃时，钼锆合金硬度下降至58.02HRA；而在1300℃时，硬度显著下降至50.84HRA；到1400℃时硬度为50.36HRA，硬度降低缓慢。这表明1300℃时钼锆合金再结晶完成。相比较于纯钼，钼锆合金再结晶温度高，其主要原因为ZrO₂颗粒的钉扎作用增大了位错运动阻力，滑移减少使得位错密度较高，再结晶核心的形成延缓[12-16]。这与钼锆合金不同温度退火后的组织变化一致。

2.4退火温度对钼锆合金拉伸性能的影响

图5为钼锆合金抗拉强度与退火温度的关系。

由图5可以看出，钼锆合金经1000℃退火后抗拉强度稍有下降，为712MPa；1100℃退火后抗拉强度显著下降到571MPa；1300℃退火后，抗拉强度下降到443MPa；1400℃退火后，抗拉强度缓慢下降到420MPa。这是由于在1100℃之前退火钼锆合金主要发生了去应力回复过程，仍为纤维状组织，抗拉强度下降不明显；在1100～1300℃，随着温度的升高，钼锆合金发生了再结晶，晶粒由纤维状转变为等轴晶，抗拉强度显著下降。1400℃退火，因为钼锆合金再结晶已经完成，其抗拉强度下降缓慢。

3、结论

(1)在本试验条件下，钼锆合金的起始再结晶温度和终了再结晶温度分别为1100、1300℃。

(2)在900～1400℃范围内，随着退火温度的升高，钼锆合金的硬度逐渐降低，在1400℃时硬度下降到50.36HRA。随着退火温度的升高，钼锆合金的抗拉强度降低，1100℃时开始显著降低，到1400℃时下降至420MPa。

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