[發明專利]一種安全核反應堆包殼高熵合金材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910240617.3
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN109930052B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 譚軍;黃瑞;董權;王蝶;鄧攀;李敏
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/02;G21C13/087
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本發明公開了一種安全核反應堆包殼高熵合金材料，其由AlCrFeMoNb五種元素組成，其中元素鋁原子百分比為4%?8%，元素鉻原子百分比為8%?13%，元素鐵原子百分比為25%?30%，元素鉬原子百分比為20%?35%，元素鈮原子百分比25%?30%；該發明中通過真空電弧熔煉的方式得到母合金紐扣錠；該合金具有較高的熔點，可以滿足高溫環境中的使用；由于本實驗中沒有使用鋯元素，極端高溫情況下不會產生易爆的氫氣，所以極大的提高使用安全性。

技術領域

本發明涉及AlCrFeMoNb系高熵合金材料及其制備方法，涉及一種安全核反應堆包殼高熵合金材料及其制備方法，屬于高熵合金領域。

背景技術

高熵合金的概念起源于2004年，由中國臺灣學者葉均蔚教授提出；多主元高熵合金打破了傳統合金以一種元素為主元，其它元素為輔助添加的特點，同時使用至少3種元素，且每種元素含量介于5%-35%之間；得到成分均勻的單相或多相組織。

高熵合金因具有多種主元，因而具有不同于普通合金的高熵效應，晶格畸變效應，遲滯擴散效應，雞尾酒效應，使得合金具有高的硬度、抗高溫氧化、抗高溫軟化、優良的耐腐蝕性等性能，正因為此，高熵合金具有良好的使用前景。

傳統金屬在經中子輻射時，中子等輻射粒子會撞擊原子產生原子缺陷，其核反應會產生嬗變元素，這些晶格缺陷和嬗變元素所引起的材料宏觀性能變化稱為輻照效應，其性能下降稱為輻照損傷，包括輻照硬化，輻照脆化等，導致晶格畸變，晶格常數變大；并且，傳統耐輻射高熵合金以金屬鋯為基體，在高溫下金屬鋯與水反應生成氫氣，產生爆炸，產生嚴重安全隱患。因此，急需一種耐輻射、具有高的安全系數的合金應用在生活中。

發明內容

為解決傳統包殼材料耐輻射性能差，安全系數低的問題，本發明提供了一種應用在高溫環境下具有良好耐輻射性能，并且具有高的安全系數的安全核反應堆包殼高熵合金材料，該材料由AlCrFeMoNb五種元素組成，其中元素鋁（Al）原子百分比為4%-8%，元素鉻（Cr）原子百分比為8%-13%，元素鐵（Fe）原子百分比為25%-30%，元素鉬（Mo）原子百分比為20%-35%，元素鈮（Nb）原子百分比25%-30%；五種元素原子百分比相加為100%。

本發明另一目的是提供上述安全核反應堆包殼高熵合金材料的制備方法，步驟如下：

（1）去除Al、Cr、Fe、Mo、Nb金屬材料表面的氧化皮，清洗，其中5種金屬的純度大于99.9wt%；

（2）按金屬材料熔點從低到高的順序，將金屬材料放入真空電弧熔煉爐中，即熔點最低的金屬材料放在最底部；

（3）關閉爐門，將真空電弧熔煉爐抽至真空狀態，并且通入質量濃度99.99 %的氬氣進行保護；

所述抽真空狀態是真空度抽至6×10^-2Pa以下；通入氬氣，氣氛壓強為1個大氣壓；

（4）在氬氣氛圍中進行引弧熔煉，首先對真空電弧熔煉爐中自帶的Ti錠進行熔煉，以消耗殘余氧氣，使鈦保持液態停留10-15s，然后對在步驟（2）放入金屬材料進行熔煉，熔煉至全部融化并混合均勻，然后切斷電源，待合金鑄錠凝固以后，將合金鑄錠翻轉，再進行下一次熔煉，共熔煉5次，第3、4次熔煉時開啟電磁攪拌，使合金混合更加均勻；熔煉結束，冷卻至室溫后，打開爐門，取出樣品，得到AlCrFeMoNb系高熵合金；

所述氬氣氣氛壓強為1個大氣壓；熔煉電流為300-450A，然后對在步驟（2）中放入的金屬材料進行熔煉，待所有需熔金屬材料熔煉融化后保持液態30-50s，以保證混合均勻，每個熔煉過程不少于3min。

本發明的優點和技術效果：