CN114990407B - 一种有屏蔽功能的高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有屏蔽功能的高熵合金及其制备方法，原材料选取五种对中子与γ射线有屏蔽功能且纯度为99.9％的Fe粉、Ni粉、Al粉、B粉、W粉按照合金成分设计原则进行配比，然后在纯度为99.9％氩气氛中进行机械合金化，得到Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁高熵合金粉末；本发明的高熵合金粉末因该合金中含有B和W元素，使其具备对中子与γ射线的屏蔽功能，合金材料具备高熵合金固有的特性，如力学性能、耐腐性等特点外，还具有优良的屏蔽性能，为设计具有多功能特性的屏蔽材料或结构提供了基础。

Description

一种有屏蔽功能的高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明设计利用机械合金化制备一种有屏蔽功能的高熵合金及其制备方法，属于高熵合金领域。

背景技术

1995年，叶均蔚等突破材料设计的传统理念，在非晶合金基础上提出了新的合金设计理念，称之为多主元高熵合金(HighEntropyAlloys,HAs)。高熵合金是由5种以上元素组元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成一类混合熵较高的合金，于2004年正式提出高熵合金的概念，其主要元素原子分数范围为5％～35％，由于具有较高的混合度，其熵值一般在1.5R以上。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的鸡尾酒效应，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性和高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能，所以在近些年来逐渐成为最有发展潜力的热点之一。

机械合金化法(MA)是将金属粉末按一定比例混合，在高速球磨的作用下，粉末充分混合并被反复压扁、冷、焊、断裂和再冷焊，经球磨后获得的一种成分分布均匀、各部位结构和性能相似的合金粉末。2020年Chen等利用MA技术，在不锈钢衬底上制备出AlCuNiFeCr高熵合金涂层，研究了不同球料比对高熵合金涂层性能的影响。结果表明：球磨4h后，XRD图中2θ为38°的铝峰消失，开始形成固溶体；球磨16h，随着球料比增加，X射线衍射峰进一步加宽。当球料质量比为40:1，球磨16h时，得到的高熵合金涂层与不锈钢基体界面处的硬度达到最大值803HV。2021年贺毅强等用Al、Fe、Ni、Si、Ti单质元素粉末，采用机械合金化的方法成功地制备出了AlFeNiSiTi非晶高熵合金粉末，研究发现，随着球磨时间的增加，粉末平均粒径先增大后减小，粉末硬度显著增加。在球磨时间达到220h时形成了完全非晶态的高熵合金粉末，粉末具有较强的机械稳定性和成分均匀性

原子能工业的日益发展带来了核泄漏、核污染等安全隐患，人们必须采取严密的防护措施来保障涉核人员的身体健康和环境安全。众多核辐射类型中，中子和γ射线穿透性最强，屏蔽难度最大。然而，传统的中子屏蔽材料如硼、水、聚乙烯和伽玛屏蔽材料如铅、铁、钨等屏蔽材料功能单一，屏蔽性能有限，难以满足现代辐射防护的要求。对此研究人员开发了许多的复合材料，按照基体不同可分为:(1)聚合物基复合屏蔽材料；(2)金属基复合屏蔽材料；(3)屏蔽混凝土；(4)玻璃基复合屏蔽材料；(5)陶瓷基复合屏蔽材料等。但是许多复合材料由于某些特定元素的加入，改变了原有优异的力学性能。随着21世纪高熵合金概念的提出，为解决这类问题提供了新的思路。通过利用高熵合金性能上的鸡尾酒效应，来解决屏蔽材料力学性能不足的情况，为设计具有多功能特性的屏蔽材料或结构提供了基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种有屏蔽功能的高熵合金及其制备方法，传统的屏蔽材料由于特定元素如：钨、硼的加入使得其的力学性能不是非常理想，而高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性和高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能，本发明采用机械合金化5种高纯度金属单质粉末制备得到高熵合金粉末，解决由于硼与钨元素的加入，使得制备的合金材料的力学性能不理想的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种有屏蔽功能的高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照质量百分比为铁粉26wt.％、镍粉26wt.％、铝粉26wt.％、硼粉11wt.％、钨粉11wt.％。进行配比，得到初始的合金粉末；

(2)将初始合金粉末放入到高能球磨机中进行球磨，球磨时间为30h—100h；

(3)球料比为5:1、10:1和20:1其中的一种；

(4)球磨转速为300-450r/min，正反转交替进行，为防止氧化等影响，采用氩气为保护气，得到有屏蔽功能的高熵合金Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁粉末。

为机械合金化方法。

所述Fe、Ni、Al、B、W纯度为99.9％，目数为：200-500目。

一种有屏蔽功能的高熵合金，所述合金由以上方法制备而成。

与现有技术相比本发明有以下有益效果：

本发明的高熵合金粉末因该合金中含有B和W元素，使其具备对中子与γ射线的屏蔽功能。由该合金粉末制备的合金材料，可以具备高熵合金固有的特性，如力学性能、耐腐性等特点外，还具有优良的屏蔽性能。

附图说明

图1为实例1合金粉末宏观形貌图

图2a-b为实例1初始合金XRD图与球磨时间对应XRD图

图3为实例1合金粉末球磨时间对应SEM图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

一种有核屏蔽功能的高熵合金，包括原金属单质粉末的选取：硼(B)具有很高的热中子吸收截面，其作为热中子吸收功能填料已被广泛应用；对于屏蔽γ射线常使用的材料有金属单质如铅、铁、钨、镉及其合金、特种混凝土、含重金属的高分子材料和特种玻璃等，但由于铅为有毒金属，在近几年的屏蔽材料中的应用比重下降，所以选取铁、钨两种纯金属；但钨和铁的加入，机械性能会有大幅度的下降，铁的加入很可能带来铁的腐蚀与侵蚀，所以加入铝可以起到保护的作用，镍也可以增加抗拉强度，抵消加钨带来的机械性能不足的效果。

机械合金化制备一种有核屏蔽功能的高熵合金Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁粉末，其原粉包括以下质量百分比的组分：铁粉26wt.％、镍粉26wt.％、铝粉26wt.％、硼粉11wt.％、钨粉11wt.％。

所述铁粉、镍粉、铝粉、硼粉、钨粉均为单质粉纯度为99.9％，目数为200-500目。

机械合金化制备一种有核屏蔽功能高熵合金Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁粉末的制备方法，其中包括以下步骤：

选取五种纯度为99.9％的Fe粉、Ni粉、AL粉、B粉、W粉按照合金设计成分进行配比，得到初始的合金粉末；

将初始合金粉末放入到高能球磨机中进行球磨，球磨时间为30h—100h；

球料比为5:1、10:1、20:1；磨球采用1mm、4mm、6mm的钢球，其质量之比为：1:3:6；

球磨转速为300--450r/min，正反转交替进行，全程球磨在氩气氛中进行；

球磨从30h开始,每隔10h取出5g进行XRD扫描直到100h为止。

球磨过程都是在纯度≥99.9％的氩气氛围中。

实施例1：

一种高熵合金粉末制备方法，包括如下步骤：

选取五种纯度为99.9％的Fe粉、Ni粉、AL粉、B粉、W粉按照合金设计成分进行配比，混合得到初始的合金粉末，进行XRD测试得到初始粉末XRD图2a；

将初始合金粉末放入到高能球磨机中进行球磨，球磨总时间100h得到合金粉末宏观形貌图1；

磨球与磨料之比为10:1；

球磨转速为300r/min，正反转交替进行，全程球磨在氩气氛围中进行；

球磨过程中从30h开始，每隔10个小时取出5g进行XRD测试直到100h为止得到球磨时长对应XRD图2b；

取原始粉末与30h—100h每隔10个小时的粉末进行扫描得到合金粉末球磨时长对应SEM图3。

本发明公开了一种利用机械合金化方法制备高熵合金Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁粉末。本发明的制备方法采用机械合金化；原材料选取五种对中子与γ射线有屏蔽功能且纯度为99.9％的Fe粉、Ni粉、Al粉、B粉、W粉按照合金成分设计原则进行配比，然后在纯度为99.9％氩气氛中进行机械合金化，得到Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁高熵合金粉末。与传统合金相比，本发明的高熵合金粉末因该合金中含有B和W元素，使其具备对中子与γ射线的屏蔽功能。因此，由该合金粉末制备的合金材料，具备高熵合金固有的特性，如力学性能、耐腐性等特点外，还具有优良的屏蔽性能，为设计具有多功能特性的屏蔽材料或结构提供了基础。

Claims (4)

1.一种有屏蔽功能的高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照质量百分比为铁粉26wt.％、镍粉26wt.％、铝粉26wt.％、硼粉11wt.％、钨粉11wt.％进行配比，得到初始的合金粉末；

(2)将初始合金粉末放入到高能球磨机中进行球磨，球磨时间为30h—100h；

(3)球料比为5:1、10:1和20:1其中的一种；

(4)球磨转速为300-450r/min，正反转交替进行，为防止氧化等影响，采用氩气为保护气，得到有屏蔽功能的高熵合金Fe₂₆Ni₂₆Al₂₆B₁₁W₁₁粉末。

2.根据权利要求1所述有屏蔽功能的高熵合金的制备方法，其特征在于，为机械合金化方法。

3.根据权利要求1所述有屏蔽功能的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述Fe、Ni、Al、B、W纯度为99.9％，目数为：200-500目。

4.一种有屏蔽功能的高熵合金，其特征在于，所述合金由权利要求1-3中任意一项的方法制备而成。

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