[發明專利]高強韌低活化FeCrVO多主元合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202010013308.5
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111218601B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 夏松欽;王宇鋼;蘇悅;黃嘉;高智穎
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C32/00;C22C1/10;C22C1/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 巴曉艷

本發明涉及核能用結構材料及制備領域，提供一種高強韌低活化FeCrVO多主元合金及制備方法，該合金原子百分比表達式Fe_aCr_bV_cO_d，20≤a≤35，20≤b≤35，20≤c≤35，0d≤3，a+b+c+d＝100。制備工藝：將原料Fe、Cr、V去除表面氧化皮，按摩爾比精確稱量，O元素以低熔點V₂O₅的形式加入；在非自耗真空電弧爐或真空磁懸浮熔煉爐里熔煉目標合金，用真空吸鑄或澆鑄法獲得合金。本發明創新性地通過添加O元素顯著提高低活化FeCrV多主元合金的強度和壓縮塑性，綜合拉伸性能顯著優于現有低活化多主元合金；該合金具高強度高韌性、高熱穩定性及優異抗輻照性能，在核能用結構材料領域具應用前景。

技術領域

本發明涉及核能用結構材料及制備技術領域，特別涉及一種高強韌低活化FeCrVO多主元合金及其制備方法。

背景技術

發展安全高效的先進核能系統是國家的重大戰略需求，其中核結構材料的抗輻照性能是影響核能反應堆安全性和經濟性的關鍵因素之一，尤其是第四代堆和聚變堆的運行環境復雜且惡劣，存在高中子輻照劑量、高溫的服役環境，對核能用結構材料提出了更為苛刻的性能要求。為此，首先要求材料具有低活化特性，中子輻照后不易活化，殘余放射性低，便于后處置和再循環利用，其次在強中子輻照、高溫條件下具有較好的高溫強度、抗輻照性能。

多主元固溶體合金的最大特征在于不同元素在結構內具有隨機占位，按照Miracle的觀點，當合金的主元數大于等于3時，合金中的原子才具有晶格位點隨機占位的可能。同時，合金元素的原子分數一旦超過50％，就無法充分發揮多主元高混亂度效應。多主元合金，或高熵合金，革新了傳統合金的設計理念，在合金設計時，可以不依據等原子比進而提高合金設計的自由度，同時還可以添加微量合金元素，調控合金的組織結構，從而優化性能。正是因為如此，多主元合金產生出了許多異乎尋常的新現象，如打破低溫脆性高溫軟化的傳統材料設計極限，展現出寬溫域應用的工程應用前景。與此同時，已有的研究報告發現，多主元合金表現出優異的抗輻照能力，在核能結構材料領域具有廣闊應用前景。

在核能結構材料提高抗輻照性能方面，一種有效的策略是引入高密度的缺陷勢阱來促進缺陷的復合，提高材料的抗輻照性能，另一種，則是通過優化材料的結構、成分等來調制缺陷的形成和遷移過程，抑制大尺寸缺陷團簇的形成。其中BCC(體心立方固溶體)多主元合金就是第二種策略的代表，近年來關于多主元合金的抗輻照性能，也進一步顯示，多主元合金在抑制缺陷形成、促進缺陷復合方面具有較傳統合金明顯的優勢，同時從理論模擬角度顯示，多主元合金具有較短的電子和聲子平均自由程，能量耗散的過程更長，有助于輻照移位原子和空位在級聯演化過程中的復合。此外，最近的研究表明，在抑制輻照缺陷演化方面，較大晶格畸變的多主元合金具有較高的抗輻照能力。遺憾的是，近年來的研究，主要針對的FCC(面心立方固溶體)結構的多主元合金，或FCC結構的高熵合金，一方面FCC結構的多主元合金晶格畸變的程度低于BCC結構；另外一方面，FCC結構的多主元合金一般含有高活化元素，如Co、Ni等，難熔多主元合金多含有Nb等高活化元素。

發明內容

本發明的目的就是克服現有技術的不足，針對先進堆和聚變堆用結構材料的服役環境，多主元合金在抗輻照缺陷能力的優勢，選擇低活化合金選擇，提供一種單相BCC結構的多主元高熵合金，同時，針對BCC結構多主元合金的韌性較差的問題，創新地使用O元素來強化BCC結構低活化FeCrV多主元合金金體系，并通過熔煉工藝，不限于電弧熔煉、真空磁懸浮熔煉工藝，制備出具有高強韌低活化的FeCrVO系多主元固溶體合金。

本發明采用如下技術方案：

一種高強韌低活化FeCrVO多主元合金，所述合金成分的原子百分比表達式為Fe_aCr_bV_cO_d，其中20≤a≤35，20≤b≤35，20≤c≤35，0d≤3，a+b+c+d＝100。