CN113462948A - 一种ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金及其制备方法。本发明提供一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔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、V＝5.08靶；合金表达式为ZraTibNbcAldVe，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；该难熔高熵合金的制备方法包括下述步骤：(1)高熵合金的冶炼与铸造；(2)冷轧；(3)退火。

Description

一种ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔高熵合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
高熵合金，是由多种主要元素组成的合金，尤其是五元以上的合金，并且各个主要元素具有较高的原子百分数，一般在5％到35％之间，因此没有一种元素的原子百分比能够超过50％，进而使合金成为以一种元素为主要元素的合金材料。研究发现受到高熵效应的影响，而元素数目较多的高熵合金的混合熵往往远高于形成金属间化合物时所具有的混合熵，这种效应会使金属间化合物难出现，从而易于具有简单结构的固溶体的形成，由多种金属元素组成的合金体系的混乱很大，此时合金体系混合熵较大，则系统较稳定，从而有利于各种元素之间的有效混合使得各组元无规律排列而形成简单的结晶相，即生成面心立方晶体、体心立方体或者密排六方晶体，抑制金属间化合物脆性相的形成。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。
发明内容
发明目的：针对现有的高熵合金不能兼具低中子吸收截面和综合力学性能的问题，本发明提供了一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔高熵合金，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。
技术方案：本发明所述的一种兼具低中子吸收截面和综合力学性能的难熔高熵合金及其制备方法，该低中子吸收截面高熵合金的表达式为ZraTibNbcAldVe，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。
该难熔高熵合金成分设计依据如下：
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。选用Zr、Ti、Nb、Al、V为基体相元素以获得兼具低中子吸收截面和优异力学性能难熔高熵合金，其中Zr、Nb、Al这三种元素间的中子吸收截面低，保证合金的低中子吸收截面；利用同样低中子吸收截面的Ti元素来保证强度和塑性；为了稳定合金体心立方的结构稳定性，选取中子吸收截面不高的V元素作为合金化元素，同时合金元素V也能降低层错能，随着层错能的降低，材料的变形方式从主要是位错为主转变为变形孪生为主。由于合金元素含量接近，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，通过优化设计调整成分配比可使其VEC小于4.5，并通过合金化元素Ti、V来保证强度的同时提高塑性。
本发明所述的一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能难熔高熵合金及其制备方法，包括如下步骤：
(1)按照高熵合金中各元素的原子百分比，选用Zr、Ti、Nb、Al、V五种元素，所有金属原料纯度高于99％，合金经熔炼、浇铸或吸铸而成。
(2)对所生产的铸态合金进行冷轧，冷轧量50-80％。
(3)对冷轧件在300-1500℃不同温度下进行退火处理。
步骤(1)中，按照配比将所述金属单质置于真空感应炉或电弧熔炼炉中，抽真空，在真空或惰性气体保护下进行至少进行熔炼；步骤(2)中，所述冷轧可以把铸坯进行大变形量的轧制；所述冷轧的工艺条件为：在室温下进行大变形冷轧，冷轧量为40-80％，单道次压下量为铸棒直径的5～15％；步骤(3)中，所述退火可以把冷轧件在不同温度下进行不同时间退火处理；所述工艺条件为：选取冷轧件，在300-1500℃下进行5分钟-2小时不同时间的退火处理。
本发明与现有技术相比，其优点在于：(1)本发明提供了一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔高熵合金。该难熔高熵合金的中子吸收截面2.0～3.0靶，合金在经过退火处理后，屈服强度～1050MPa，抗拉强度～1100MPa，延伸率～20％；(2)本发明难熔高熵合金的制备方法简单，合金经过熔炼后能够进行浇铸或吸铸操作，工艺可控性强，容易实现工业化生产。
附图说明
图1实施例1退火后的显微组织；
图2实施例1退火后拉伸工程应力应变曲线；
图3实施例2退火后的显微组织；
图4实施例2退火后拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本发明实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
实施例1
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、V＝5.0。
经真空电弧熔炼，首先熔炼为铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁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；
使用线切割切除冒口后，在室温下对铸锭棒进行冷轧，首次大变形冷轧量为为铸棒直径的80％，每单次轧制量为2mm；然后板材再次进行小变形冷轧量为铸棒直径的10％，每单次冷轧量为1mm。
然后在马弗炉中800℃退火5分钟。
实施例在退火之后屈服强度1050MPa，抗拉强度1100MPa，延伸率18％，实施例的中子吸收截面为2.0308靶。
图1为实施例1在退火后的显微组织；图2为实施例1在退火后的拉伸工程应力应变曲线。
实施例2
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、V＝5.0。
经真空电弧熔炼，首先熔炼为铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁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；
使用线切割切除冒口后，在室温下对铸锭棒进行冷轧，首次大变形冷轧量为为铸棒直径的80％，每单次轧制量为2mm；然后板材再次进行小变形冷轧量为铸棒直径的10％，每单次冷轧量为1mm。
然后在马弗炉中750℃退火5分钟。
实施例在退火之后屈服强度1030MPa，抗拉强度1080MPa，延伸率15％。
图3为实施例2在退火后的显微组织；图4为实施例2在退火后的拉伸工程应力应变曲线。
本发明设计所选择的元素均具有较低中子吸收截面，由于各元素的价电子浓度较低，根据Saad Sheikh提出的一种理念，当VEC小于4.5时，第Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ副族金属组成的难熔高熵合金具有塑性，当VEC大于4.6时则具有脆性，本发明中通过调整元素配比使得其VEC小于4.5，从而获得具有塑性的难熔高熵合金。对于难熔高熵合金来说，目前只有TiZrHfNbV系列的难熔高熵合金具有优秀的室温拉伸塑性，但由于其中子吸收截面较高，且原材料较为昂贵，难以应用到核电或核动力等用的核反应堆中。本发明设计所选择的元素均具有较低中子吸收截面，在进行简单退火之后，屈服强度可达960MPa以上，抗拉强度达到1050MPa以上，延伸率大于15％，综合力学性能优异，可适用于核反应堆所用材料对高强度、高韧性，尤其是低中子吸收截面的要求。
本发明公开一种兼具低中子吸收截面和优异力学性能的难熔高熵合金及其制备方法，其特征在于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、V＝5.08靶。该高熵合金的表达式为ZraTibNbcAldVe，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＝10-30at.％，d＝2-25at.％，e＝2-25at.％，a+b+c+d+e＝100。该难熔高熵合金的制备方法包括下述步骤：选用金属元素Zr、Ti、Nb、Al、V，利用真空感应熔炼或真空电弧熔炼。对铸锭可均匀化退火，也可不均匀化退火直接轧制，轧制后进行退火处理。本发明的低中子吸收截面难熔高熵合金经过退火后，屈服强度可达960MPa以上，抗拉强度达到1050MPa以上，延伸率大于15％，中子吸收截面为2.0～3.0靶。与现有难熔高熵合金相比，本发明高熵合金的中子吸收截面大大降低，力学性能获得显著提升，在核电、核动力等关键高技术领域中具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金，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、V＝5.08靶；合金表达式为ZraTibNbcAldVe，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；该难熔高熵合金的制备方法包括下述步骤：(1)高熵合金的冶炼与铸造；(2)冷轧；(3)退火。
2.根据权利要求1所述的ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金的其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照高熵合金中各元素的原子百分比，选用Zr、Ti、Nb、Al、V五种元素作为原料，所有金属原料纯度高于99％，合金经熔炼、浇铸或吸铸而成；
(2)对所生产的铸态合金进行冷轧，冷轧量40-90％；
(3)对冷轧件在300-1500℃不同温度下进行退火处理。
3.根据权利要求2所述的ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金的其制备方法，其特征在于，步骤(1)中熔炼可采用真空感应或电弧熔炼炉，也可在惰性气体保护气氛下进行熔炼。
4.根据权利要求2所述的ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金的其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷轧可以把铸坯进行大变形量的轧制；所述冷轧的工艺条件为：冷轧量为40-80％，单道次压下量为5％～15％。
5.根据权利要求2所述的ZrTiNbAlV低中子吸收截面难熔高熵合金的其制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述退火可以把冷轧件在不同温度下进行不同时间退火处理；所述工艺条件为：在300-1500℃下进行退火5分钟-2小时。
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