一种低中子吸收ZrTiNbAlTa难熔铸造高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种低中子吸收ZrTiNbAlTa难熔铸造高熵合金及其制备方法，该高熵合金所选元素具有低的中子吸收截面：Zr＝0.185靶、Ti＝6.09靶、Nb＝1.15靶、Al＝0.231靶、Ta＝20.6靶；合金表达式为Zr

【技术实现步骤摘要】
一种低中子吸收ZrTiNbAlTa难熔铸造高熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔铸造高熵合金及其制备方法，属于金属材料
，主要应用于核反应堆构件。

技术介绍

[0002]传统的合金一般以一种或者两种元素为主，通过添加其它微量元素以获得某些特定性能的要求，但是根据吉布斯相率(Gibbs Phase Rule)，合金元素种类过量添加，往往会使合金中产生金属间化合物，一旦脆性化合物生成，合金性能会受到严重的影响，导致合金性能的降低。所以在以往设计理念中，当能够达到一定优良性能时，应该尽可能地减少合金元素的种类。
[0003]对于高熵合金来说，在成分设计时其理念与传统合金设计截然不同。高熵合金中含有至少5种元素，每种元素的含量在5％
‑
35％(at.％)，即没有元素间的主次、溶剂和溶质之分。尽管合金设计时，元素的种类和含量不遵循吉布斯相率，但是所形成的高熵合金不会有过多的相数和有害的金属间化合物。并且由于高熵合金的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及“鸡尾酒”效应使得合金表现出优异力学性能、良好的耐磨性、耐高温氧化、抗高温蠕变、耐腐蚀、磁电性能良好、高电阻率等。综合以上，高熵合金拥有较好的应用前景，同时灵活的设计思路也大大扩宽了工程材料的领域。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有的高熵合金不能兼具低中子吸收截面和优异力学性能的问题，同时，为解决合金不能直接铸造或铸造性能差而必须利用变形来控制组织强化合金的问题，本专利技术提供了一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔铸造高熵合金，在金属材料领域具有较大的应用潜力，并提供一种该难熔高熵合金的制备方法。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]本专利技术所述的一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔铸造高熵合金及其制备方法，该难熔高熵合金的表达式为Zr
a
Ti
b
Nb
c
Al
d
Ta
e
，合金表达式中a、b、c、d、e分别表示各元素的原子百分含量，且满足以下条件：a＝30
‑
40at.％，b＝20
‑
35at.％，c＝15
‑
30at.％，d＝2
‑
25at.％，e＝2
‑
25at.％，a+b+c+d+e＝100。
[0007]该难熔高熵合金成分设计依据如下：
[0008]成分设计依据：Saad Sheikh提出了一种通过控制价电子浓度(VEC)来优化固有塑性RHEAs的新方法，当VEC小于4.5时，由第Ⅳ，
Ⅴ
和
Ⅵ
副族金属组成的BCC难熔高熵合金具有塑性，当VEC大于4.6时则具有脆性。为获得兼具低中子吸收截面和优异力学性能难熔高熵合金选用Zr、Ti、Nb、Al、Ta为基体相元素，其中Zr、Nb、Al这三种元素间的中子吸收截面较低，而Ti元素的加入使其强度和塑性得以提升，Ta元素在此系列合金中主要起稳定BCC结构的作用，合金元素Ta也能显著减缓晶界迁移，阻碍晶粒长大。由于含量接近，合金表现出较高的混合熵，抑制了元素间混合焓的作用；这几种元素的价电子数较小，通过调整成分配比
可使其VEC小于4.5，获得的高熵合金具有一定的塑性。
[0009]本专利技术所述的一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔铸造高熵合金及其制备方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一：按照一种ZrTiNbAlTa高熵合金的成分及摩尔百分比配置原料，其成分及摩尔百分比组成为：Zr＝30
‑
40at.％，Ti＝20
‑
35at.％，Nb＝15
‑
30at.％，Al＝2
‑
25at.％，Ta＝2
‑
25at.％。
[0011]步骤二：将合金原料依次在真空或惰性气体保护条件下进行混合熔化、精炼和浇铸成型。
[0012]步骤三：混合熔化、精炼的方式为真空度低于10
‑1Pa或在惰性气体保护下熔炼2
‑
20分钟，熔炼过程中利用电磁搅拌或机械搅拌。
[0013]步骤四：熔体浇铸温度在合金液相线100℃以上进行浇铸。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015](1)本专利技术提供了一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔铸造高熵合金。该难熔高熵合金的中子吸收截面2.0～3.0靶，在铸态下屈服强度～850MPa，抗拉强度～900MPa，延伸率～25％；(2)本专利技术难熔铸造高熵合金的制备方法简单，合金经过熔炼后能够进行铸造操作，可用也可不用铸造后热处理。工艺可控性强，容易实现工业化生产。
附图说明
[0016]图1是实施例的XRD图谱；
[0017]图2是实施例拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术的实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本专利技术的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0020]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述。
[0021]选取金属锆、金属钛、金属铌、金属铝、金属钒，高熵合金成分如下(原子百分含量％)：Zr＝35.0、Ti＝30.0、Nb＝20.0、Al＝10.0、Ta＝5.0。
[0022]经真空电弧熔炼，首先熔炼为铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用搅拌技术使金属溶液混合均匀；然后将铸锭在氩气保护下吸铸为棒状；
[0023]实施例中子吸收截面为2.3851靶，在铸态下平均硬度为360HV，屈服强度850MPa，抗拉强度900MPa，延伸率25％。
[0024]图1为Zr
35
Ti
30
Nb
20
Al
10
Ta5高熵合金在铸态下的XRD图谱，由图中看出该合金为BCC
结构；图2为实施例Zr
35
Ti
30
Nb
20
Al
10
Ta5高熵合金在铸态下拉伸工程应力应变曲线。
[0025]一种低中子吸收ZrTiNbAlTa难熔铸造高熵合金及其制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低中子吸收ZrTiNbAlTa难熔铸造高熵合金，其特征在于，该高熵合金所选元素具有低的中子吸收截面：Zr＝0.185靶、Ti＝6.09靶、Nb＝1.15靶、Al＝0.231靶、Ta＝20.6靶；合金表达式为Zr
a
Ti
b
Nb
c
Al
d
Ta
e
，合金表达式中a、b、c、d、e分别表示各元素的原子百分含量，且满足以下条件：a＝30
‑
40at.％，b＝20
‑
35at.％，c＝15
‑
30at.％，d＝2
‑
25at.％，e＝2
‑
25at.％，a+b+c+d+e＝100。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洋，马亚玺，张中武，吴广传，郁永政，杜康，黄涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：