[发明专利]一种高强韧多级异构FeCrNiAl基合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高强韧多级异构FeCrNiAl基合金材料及其制备方法；本发明合金材料按原子百分比计，成分包括Fe：40～60％，Cr：15～35％，Ni：10～30％，Al：5～15％，其他元素含量≤5％。本发明通过组织调控和工艺优化同时引入多种强化机制，使其屈服强度相较铸态的粗晶合金提高2.5倍以上，同时兼具良好的拉伸塑性。本发明的制备方法为铸造和形变热处理法，获得由“多尺度FCC基体相+多尺度B2和σ增强相”共同构成的多级异构合金材料。本发明的多相多尺度的异质微结构有效地提高了材料的强度且保持了良好的拉伸塑性，满足了先进结构材料高强高韧的迫切需求，且制备工艺简单高效，适应规模化生产的要求。

技术领域

本发明属于高性能合金材料技术领域，具体为一种高强韧多级异构FeCrNiAl基合金材料及其制备方法。

技术背景

核燃料包壳作为核反应堆的第一道安全屏障，其性能直接关系到核反应堆运行的可靠性与安全性。锆合金是目前轻水反应堆核燃料元件唯一采用的包壳材料。然而2011年日本福岛核事故中，锆合金包壳与高温冷却水反应，产生大量的热量和氢气，导致堆芯熔化和氢气爆炸，暴露出锆合金的致命缺陷。因此，各国迫切需要开发耐事故容错型反应堆核燃料包壳材料，在严重事故工况下提供更大的安全裕度，以提高核反应堆运行的安全性和可靠性。

在目前众多的候选材料中，FeCrNiAl合金因其含有的Al、Cr等元素，具有优良的耐腐蚀性能和耐高温水蒸气氧化能力以及良好的抗辐照性能，同时其原材料和制备工艺具有良好的经济性和成熟度，是目前最有前景的耐事故包壳材料之一。另一方面，严苛的使用环境要求FeCrNiAl合金包壳管的壁厚须减少至0.4mm以内，这对FeCrNiAl合金包壳管的力学性能提出了严苛要求，而现有报道的FeCrNiAl合金很少兼具高强度(屈服强度≥900MPa)和高塑性(断后伸长率≥15％)。因此，需要开发一种新型的FeCrNiAl基合金及其制备工艺，大幅提高合金的强度和塑性，从而满足核反应堆耐事故包壳材料的苛刻要求。

异质结构合金(Heterogeneous alloys)是指合金内部从一个区域到另一个区域具有显著组织差异的合金。异质结构合金内部的区域界面在变形期间产生显著的应变梯度，异质界面形成大量的几何必须位错以协调变形，从而诱发有效的背应力强化，实现合金兼具高强度和高塑性的优异组合。近年来，卢柯、武晓雷、朱运田等研究团队已经成功制备具有异质结构的铜合金、钢铁和钛合金，在合金中引入异质结构已成为制备高性能合金材料的重要思路之一(Science(2014)345,1455-1456；Materials Today(2018)21,713-719)。然而构筑异质结构的思路在FeCrNiAl基合金中尚未得到应用，因此，制备具有多级异构的FeCrNiAl基合金材料不仅能使该合金体系的强塑性得到大幅提升，满足核燃料包壳管对力学性能的苛刻要求，也能给制备其他高性能合金材料提供借鉴价值。

发明内容

本发明针对FeCrNiAl基合金亟需提升力学性能的问题，公开了一种高强韧多级异构FeCrNiAl基合金及其制备方法。本发明对合金铸锭进行简单的塑性变形和热处理的两步加工，获得由多尺度FCC基体以及多尺度B2和σ增强相组成的异质结构微观组织，使其产生背应力诱导强化和强烈的析出相弥散强化以及有效的晶界强化，构筑多相多尺度的多级异构FeCrNiAl基合金材料，实现高强度高塑性，兼具低成本、短流程的高性能合金材料的制备。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高强韧多级异构FeCrNiAl基合金材料，按原子百分比计(at.％)，成分包括Fe：40～60％，Cr：15～35％，Ni：10～30％，Al：5～15％，其他元素含量≤5％。

优选的，所述其他元素包括Mn、Ti、Co、C中的至少一种。

优选的，所述高强韧多级异构FeCrNiAl基合金为多相结构，包括FCC基体相和B2增强相以及σ增强相；其中，B2增强相和σ增强相的体积分数总和为5～25％，且均匀地弥散分布在合金中。