[发明专利]具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金及制备方法

说明书

本发明涉及具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金及制备方法，该中熵合金的各个组分的百分比计：Fe：20～35at％，Cr：20～35at％，Ni：30～50at％，Ti：2～7at％，Al：2～7at％。通过真空感应熔炼的方式得到铸锭，固溶后经过30％～80％变形量的冷轧和热处理工艺后得到含有弥散纳米析出相的中熵合金，具备较高的强度和良好的塑性。在400‑600℃受到高能离子辐照时，纳米析出相可通过“回溶‑再析出”过程保证其动态稳定性，在600℃下受到100DPA高剂量离子辐照后，没有空洞肿胀产生，且位错环等辐照缺陷尺寸比没有析出相的合金有明显降低，展现了优良的抗辐照性能。

技术领域

本发明属于中熵合金和核动力技术领域，尤其涉及一种具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金及制备方法。

背景技术

近年来，随着传统能源的过度开采，可持续能源加大利用度的情况迫在眉睫。对于目前几种可持续的绿色能源，核能是最有希望在世界范围内进行大规模应用的，随之，核能研究得到了全世界的注重，核电站的长期安全运行问题直接关系到核能的利用和发展。随着核反应堆的工作温度变高、辐射剂量加大、传热介质的腐蚀性更强，对反应堆关键部件的各项性能要求也更高。

区别于具有单一主导元素的传统合金，多主元合金是主导元素一般大于3的一类新金属材料，特点是混合熵高，易形成固溶体或非晶等高熵相。多主元合金独特的结构特征致使其具有许多优良的特性：极高的硬度、耐高温、耐腐蚀以及抗氧化性等。目前有研究结果显示多主元合金由于其独特的成分化学复杂性和高晶格畸变特性，可以抑制辐照缺陷聚集长大，表现出优异的抗辐照性能，在核反应堆核包壳材料方面有潜在的应用价值。中熵合金是在此基础上发展起来的主要组元数为3的一个新的设计理念，目前研究最多的是以Co、Cr、Fe、Ni等为主要组元的过渡金属高熵合金体系，其中最为典型的中熵合金CoCrNi强度和韧性优于大多数传统和金和多主元合金。但由于Co元素的高热中子吸收截面，不可用于反应堆核包壳材料，因此需要设计一种不含Co的高性能中熵合金。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种低热中子吸收截面且具有弥散分布的第二相粒子的中熵合金的制备方法，选择低热中子吸收截面元素为合金组元，通过调控轧制变形和热处理工艺，在FCC中熵合金中引入与基体共格的弥散纳米析出强化相，从而提高合金的力学性能。另外，共格纳米相在宽温域(400℃-600℃)辐照过程中仍保持动态稳定，析出相与基体的界面充当辐照缺陷的吸附阱，降低辐照引起的缺陷，达到不破坏其力学性能的同时又能提高合金抗辐照性能的目的。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金，所述具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金的各个组分的原子百分比为：Fe：20-35at％，Cr：20-35at％，Ni：30-50at％，Ti：2-7at％，Al：2-7at％。

进一步，所述Al和Ti的原子含量之和为4-10at％。

进一步，所述中熵合金具有有序L1₂结构的Ni₃(Ti,Al)相。

本发明的另一目的提供一种制备上述的具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)采用纯度为99.9％的金属为原料，将金属原料去除氧化皮后，按照设计成分的配比精确称量进行配料；(通过院子百分比换算成质量百分比)

S2)将S1)中配好的原料放入真空感应炉内进行熔炼，熔炼结束后将熔液倾铸在模具中进行冷却，得到中熵合金铸锭；

S3)将S2)得到的合金铸锭装入抽真空后充保护气氛的石英管中，加热至一定的温度下，等温一定的时间以固溶均匀化退火，得到固溶态合金；

S4)将S3)得到的固溶态合金先热处理再淬火，得到具有纳米析出相的低热中子吸收截面中熵合金。