[发明专利]一种核辐照环境下低活化、强耐磨多主元合金的制备方法

说明书

本发明公开了一种核辐照环境下低活化、强耐磨多主元合金的制备方法，利用核环境下低活化元素，设计出多主元固溶体结构的高熵合金；利用原位反应，在多主元固溶体中自主形成了氧化物增强相。本发明工艺操作简单、成本低，制备的材料具有高的硬度和室温～1000℃内优异的耐磨性，在核工业领域具有重要应用前景。

技术领域

本发明涉及核辐照金属材料技术领域，具体是一种核辐照环境下低活化、强耐磨多主元合金的制备方法，运用本发明的方法制备的材料具有低活化、多主元固溶体结构、在室温～1000℃温度范围内具有优异的耐磨性，在核辐照领域可以作为长期的结构材料和耐磨材料得到广泛应用。

背景技术

核资源的开发和核技术的提升对于一个国家的能源利用和军事实力的提升至关重要。目前，我国大力发展核技术和核工业，在众多领域均取得了显著的成果，但在应用材料方面存在“卡脖子”问题，常见的金属材料难以满足低活化、耐辐照、强耐磨的共同要求。

多主元合金是近年来金属领域的突破性进展，多种主元下依旧能够保证固溶体结构。相比传统合金，多主元合金独特的晶格畸变效应、多主元效应、缓慢扩散效应和复合效应等结构特征，保证了合金在核辐照环境下具有阻碍偏聚、抗肿胀、抑制氦泡、辐照硬化、缺陷形成和迁移慢、抗蠕变等优势。多主元合金在核辐照环境下优异的综合性能，在传统合金中是难以实现的，多主元合金在耐辐照方面具有突出的应用潜力。

但是，目前多主元合金在核领域中也存在不足。核辐照环境下服役的金属材料必须满足低活化，这主要是受金属材料的组成元素决定的。多主元合金的固溶体结构的形成，必须综合考虑混合焓、混合熵、价电子浓度、原子半径差等因素；为保障多主元合金固溶体结构的形成，现有报道的多主元合金均含有非低活化元素，这是影响多主元合金在核领域应用的瓶颈问题。本专利的重要创新之一，利用核环境下低活化元素(W、Ta、Cr、V和Ti)，通过合金系统参数的计算，综合平衡系统自由能和扩散动力学，设计出核辐照环境下低活化的固溶体结构多主元合金。

除此之外，陶瓷类增强相是提高金属材料的硬度和耐磨性的重要方法，但陶瓷类增强相与金属基体的界面结构较差，导致界面处为疲劳、裂纹、断裂、应力集中的易发生缺陷区域，显著影响材料的力学和抗辐照性能。原位反应形成的陶瓷类增强相，能够与金属基体具有较好的界面结构，在保证高强度、强耐磨的同时，保障材料的综合性能。本专利另一个重要创新，是基于原位反应，在低活化、固溶体结构多主元合金中形成了氧化物增强相，显著提高了合金的硬度和耐磨损性能。

总之，本发明通过元素选择、合金体系计算、工艺设计，制备的低活化、多主元固溶体结构、原位氧化物增强的合金，能够满足核领域下低活化、宽温域强耐磨的共同要求，多主元结构在抗辐照性能上具有重要潜力，在核工业领域具有重要工程意义。

发明内容

本发明提供一种核辐照环境下低活化、强耐磨多主元合金，解决了现有传统抗辐照合金和多主元合金中难以满足低活化、宽温域耐磨损的共同需求的技术问题。

本发明是这样实现的，步骤如下：

1)球磨

分别称取金属粉末，将金属粉末全部装入WC球磨罐中进行球磨，得到混合均匀的原始粉末制品；

2)低真空预烧结

将步骤1)所得制品装入石墨模具，然后置于SPS放电等离子烧结炉或热压烧结炉中，在真空度为5～10Pa下进行预烧结，预烧结温度为650～950℃，得到预烧结选择氧化块体；

3)高真空高温烧结

在步骤2)的预烧结选择氧化块体基础上，进一步抽真空，真空度达到5×10^-3Pa～1×10^-1Pa时进行高温烧结，烧结温度为1600℃～1900℃，烧结结束后，材料随炉冷却至室温，得到核辐照环境下低活化、强耐磨的多主元合金。