一种新型UMoNbTi系轻质含铀高熵合金制造技术

本发明专利技术公布了一种含铀元素的基于U

【技术实现步骤摘要】
一种新型UMoNbTi系轻质含铀高熵合金


[0001]本专利技术属于高熵合金材料领域，特别是涉及一种含铀元素的新型高熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]高熵合金因其具有高强度、高硬度、耐腐蚀等优异性能备受关注，被认为在超高温材料、高性能结构材料、低温服役材料、航空航天轻质材料等领域有着广泛应用前景。其中，轻质材料的开发收益于多主元高熵合金独特的设计理念，开创新的设计思路。轻质高熵合金通常选用轻质元素(Al、Ti、Mg等)结合过渡元素(V、Nb、Mn等)设计制备。如Stepanov等通过电弧熔炼制备了具有单相BCC结构的AlNbTiV轻质高熵合金，室温下合金屈服强度达到1020MPa，同时展现出优异的高温性能；Zhang等通过电弧熔炼制备了一系列单相BCC结构TiAlCrVNb，其中，Ti
60
(AlCrVNb)
40
室温下屈服强度达到960MPa，拉伸断裂应变达到28％。
[0003]为满足核能小型化和可移动式的特殊要求，目前已经发展出了热管堆、铅冷快堆等新型反应堆型。以热管堆为例，金属结构材料服役环境由热端跨越到冷端，服役温度处在几百摄氏度到1000摄氏度之间，因此要求使用的结构材料具备优良的高温力学性能、可加工性能以及抗辐照损伤性能。然而，传统镍基合金已逐渐接近其设计极限，亟需开发出革命性的新材料以满足服役要求。可喜的是，新近开发出的难熔高熵合金呈现出优异的力学性能及抗辐照性能，在空间核动力系统中的应用表现出广阔前景与潜力。
[0004]MoNbTi系合金在已开发的难熔合金中表现出轻质、高强塑性、耐高温软化特性等综合性能。但是目前对于该体系合金在高温和辐照环境下的组织稳定性、拉伸强度和抗辐照脆化等性能的研究还几乎空白。因此，亟待对新型MoNbTi系难熔高熵合金的组织稳定性、高温力学性能和抗辐照性能进行系统研究，为未来在空间堆中的实际应用提供理论支撑和科学依据。
[0005]U共有三种结构，具有BCC结构的γ
‑
U结构在高温下具有理想的对称性和性能。合金元素Zr、Ti、Mo、Nb等通常在BCC结构的γ
‑
U中具有广泛的溶解度。Zr和Nb在高温下能与U完全溶解并形成γ相。Ti可以溶解在U基体中并在725℃以上的温度下形成γ相，Mo在γ
‑
U中的最大溶解度为21.2重量百分比(wt.％)。
[0006]综上所述，开发基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti体系的高熵合金，并充分考虑U元素的特殊作用，从而实现含铀高熵合金的结构功能一体化，对于开发新型轻质含铀高熵合金以及促进核材料领域的安全发展具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对典型BCC结构难熔高熵合金如TaNbMoW、TaNbMoWV等含有大量高密度金属元素，合金密度大，成本高，室温塑性差，难以作为结构材料应用的瓶颈问题，同时其他研究对于含U高熵合金的研究未给予充分的重视，本专利技术提出一种基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti系的新型轻质高熵合金，并充分考虑U元素的特殊作用，从而实现高熵合金的结构功能一体化。
[0008]一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其组分按原子百分比为：铀：15～60％；钼：10～35％；铌：10～35％；钛：15～50％；锆：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。
[0009]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：15～30％；钼：10～35％；铌：10～35％；钛：19.89～50％；锆：3～10％，铝元素2～10％，余量为不可避免的杂质。
[0010]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：15％；钼：10％；铌：10％；钛：50％；锆：5％，铝：10％，余量为不可避免的杂质。
[0011]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：60％；钼：10％；铌：10％；钛：15％；锆：3％，铝：2％，余量为不可避免的杂质。
[0012]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钼：12
‑
35％；铌：10～35％；钛：15～50％；锆：0.1～10％，铝：0.01～5％，余量为不可避免的杂质。
[0013]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：30％；钼：35％；铌：10％；钛：15％；锆：5％，铝：5％，余量为不可避免的杂质。
[0014]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钼：12
‑
15％；铌：11～35％；钛：19.89～50％；锆：0.1～10％，铝：0.01～2％，余量为不可避免的杂质。
[0015]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：30％；钼：15％；铌：35％；钛：19.89％；锆：0.1％，铝：0.01％，余量为不可避免的杂质。
[0016]上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：其组分按原子百分比为：铀：15％；钼：12％；铌：11％；钛：50％；锆：10％，铝：2％，余量为不可避免的杂质。
[0017]一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金的制备方法，具体包括如下步骤：(1)准备原料：按U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti
‑
Zr
‑
Al高熵合金配比称取所需合金原料；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将U、Mo、Nb、Ti、Zr、Al粉末迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转；为避免熔炼时间、熔炼电流差异引起对试样组织结构及性能产生的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流；确保所有熔炼后试样的表面保持光亮，即在熔炼制备的过程中合金没有发生明显的氧化。
[0018]所述的一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti系可用作核燃料的结构功能一体化高熵合金，压缩屈服强度：720～1250MPa，压缩率：>70％。
[0019]本专利技术与现有技术相比，其取得的进步以及有益效果在于：本专利技术提出的一种含铀元素基于U
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Mo
‑
Nb
‑
Ti体系新型轻质的结构功能一体化高熵合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
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Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15～60％；钼：10～35％；铌：10～35％；钛：15～50％；锆：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti体系新型轻质的结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：15～30％；钼：10～35％；铌：10～35％；钛：19.89～50％；锆：3～10％，铝元素2～10％，余量为不可避免的杂质。3.根据权利要求2所述的一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
‑
Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15％；钼：10％；铌：10％；钛：50％；锆：5％，铝：10％，余量为不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
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Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：60％；钼：10％；铌：10％；钛：15％；锆：3％，铝：2％，余量为不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于U
‑
Mo
‑
Nb
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Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钼：12
‑
35％；铌：10～35％；钛：15～50％；锆：0.1～10％，铝：0.01～5％，余量为不可避免的杂质。6.根据权利要求5所述的一种含铀元素基于U
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Mo
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Nb
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Ti体系的新型轻质结构功能一体化高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：30％；钼：35％；铌：10％；钛：15％...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘虎成，赵光，时洁，吴璐，滕常青，张伟，伍晓勇，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：