CN113549805A - 一种ZrTiNbAlTa低中子吸收截面难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ZrTiNbAlTa低中子吸收截面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、Ta＝20.6靶；合金表达式为ZraTibNbcAldTae，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＝20‑40at.％，b＝20‑35at.％，c＝10‑30at.％，d＝2‑25at.at.％，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；(1)退火。
Description
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
高熵合金与传统合金不同，是一种新型的多主元合金，其易形成单一的固溶体相，进而使得高熵合金表现出优异的性能，如高硬度、良好的耐腐蚀性、良好的耐磨性、良好的耐高温性、高加工硬化性能等。
以难熔元素为主的高温高熵合金也逐渐引起业内的广泛关注。2007年哈尔滨工业大学苏彦庆教授选取Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、Ta及W等7种高熔点元素开发出了具有较高的高温强度的合金，采用电弧熔炼技术制备出了几种等摩尔五元合金Ti Zr Hf Ta Nb、Ti Zr HfTa、Ti Zr Hf Nb Mo、Ti Zr Ta Hf Mo、Ti Zr Ta Nb Mo、Ti Hf Ta Nb Mo、Zr Ta Mo HfNb、Ti Zr Ta Ta Mo。难熔高熵合金因大多数组成元素为高熔点元素而具有较高的熔点，同时合金具有高熵合金的特性，表现出优异的高温性能，成为非常有潜力的高温合金之一。对于难熔高熵合金来说，目前只有TiZrHfNbTa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。
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ZraTibNbcAldTae，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＝20-40at.％，b＝20-35at.％，c＝10-30at.％，d＝2-25at.at.％，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、Ta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Ta元素作为合金化元素，同时合金元素Ta也能显著减缓晶界迁移，阻碍晶粒长大。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、Ta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、Ta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，去除金属单质Zr、Ti、Nb、Al、Ta表面的杂质和氧化物，清洗烘干；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～960MPa，抗拉强度～1050MPa，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
下面将结合本发明的实施例，对本发明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发明一部分实施例，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，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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发明的范围。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。
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、Ta＝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960MPa，抗拉强度1050MPa，延伸率19％，实施例的中子吸收截面为2.3851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、Ta＝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900℃退火5分钟。
实施例2在退火之后屈服强度1000MPa，抗拉强度1030MPa，延伸率17％。
图1为Zr35Ti30Nb20Al10Ta5高熵合金在退火后的显微组织；图2为实施例Zr35Ti30Nb20Al10Ta5高熵合金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，在进行简单退火之后，屈服强度～960MPa，抗拉强度～1050MPa，延伸率～20％，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、Ta＝20.6靶。该高熵合金的表达式为ZraTibNbcAldTae，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、Ta，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ZrTiNbAlTa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、Ta＝20.6靶；合金表达式为ZraTibNbcAldTae，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＝20-40at.％，b＝20-35at.％，c＝10-30at.％，d＝2-25at.at.％，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；(1)退火。
2.根据权利要求1所述的ZrTiNbAlTa低中子吸收截面难熔高熵合金的制备方法，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、Ta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ZrTiNbAlTa低中子吸收截面难熔高熵合金的制备方法，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ZrTiNbAlTa低中子吸收截面难熔高熵合金的制备方法，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ZrTiNbAlTa低中子吸收截面难熔高熵合金的制备方法，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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| Title |
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| 刘张全 等: ""难熔高熵合金的研究进展"", 《中国材料进展》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114535576A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-05-27 | 中南大学 | 一种含Al难熔高熵合金及其制备方法 |
| CN116497257A (zh) * | 2023-04-27 | 2023-07-28 | 中南大学 | 一种具有超高室温拉伸延展性的轻质高强多组元难熔合金及其制备方法 |
| CN116497257B (zh) * | 2023-04-27 | 2024-05-07 | 中南大学 | 一种具有超高室温拉伸延展性的轻质高强多组元难熔合金及其制备方法 |
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