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本文以Zr基合金(Zr-2.5Nb和Zr-Nb-Al)为研究对象,通过化学成分优化和热处理工艺控制对Zr基合金的组织与性能进行了研究。研究了双态Zr-2.5Nb合金在空冷条件下和水冷条件下经不同温度退火后的组织演变及性能变。结果表明,在空冷条件下,组织中有α、β和ω_淬,在水冷条件下,组织中有α′和ω_淬。在300-600℃退火,原有空冷及水冷过程中生成的ω_淬逐渐转变为α+β,并伴有ω析相的时效析出;随退火温度的升高,ω析逐渐减少。双态组织中等轴α相和α′相均为过饱和Nb的亚稳相,在退火过程中,Nb扩散到β相,两种α相均转变为更稳定的α相和β相,导致等轴初生α相体积分数减少,同时温度升高导致网篮状组织粗化。空冷条件下和水冷条件下退火温度分别为300℃和400℃时强度值最大。随温度升高,强度和硬度逐渐降低。空冷与水冷试样在退火后塑性相差不大,但水冷试样的均匀延伸率较低,其协调变形能力更差。根据合金化原理,将Al元素加入Zr-Nb合金中,用非自耗电弧炉熔炼制备一系列成分的Zr-Nb-Al合金,研究各组元含量的变化对合金组织结构和力学性能的影响。结果表明,Zr-2.5Nb-xAl合金中Al的含量为1 wt.%~2 wt.%时,合金强度提高明显,塑性降低较少。Zr-xNb-1Al合金中Nb的含量为2.5 wt.%~4 wt.%时其静态韧性最高。根据成分优化结果,设计Zr-3Nb-1.5Al合金,用工业自耗电弧炉进行熔炼。研究发现合金铸态及锻态的相结构均由α相和β相组成,铸态试样及沿轴向方向取样的试样组织为典型的网篮状组织。沿垂直轴向取样的试样组织为魏氏组织。Zr-3Nb-1.5Al合金轴向方向取样的合金屈服强度、抗拉强度、塑性和静态韧性均最高,分别为789MPa、858 MPa、28.6%以及24.5 GPa%,具有较好的综合力学性能。