[發明專利]一種在核用結構材料表面制備高熵合金涂層的方法及核用耐輻照結構材料

在審

• 申請號: 202110307692.4
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113073320A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 陳立佳;畢貴軍;韓冰;盧隆星;張理;郭震
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院智能制造研究所
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C30/00;C22C1/02;B22F9/14;B22F9/04;B22F1/00;G21F1/08
• 代理公司: 北京隆源天恒知識產權代理事務所(普通合伙) 11473
• 代理人: 鮑麗偉

本發明提供了一種在核用結構材料表面制備高熵合金涂層的方法及核用耐輻照結構材料。所述方法包括：以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的的至少三種金屬單質為原料，利用電弧熔煉法制備高熵合金塊體，對所述高熵合金塊體進行破碎、球磨得到高熵合金粉末，對所述高熵合金粉末進行等離子球化，得到球形粉末；以高熵合金球形粉末為熔覆材料，采用激光熔覆法在核用結構材料表面制備出高熵合金涂層。本發明通過電弧熔煉、高能球磨和等離子球化制備高熵合金球形粉末，再通過激光熔覆方法在核用結構材料表面形成了致密的高熵合金涂層，提高了核用結構材料的耐輻照性能。

技術領域

本發明涉及金屬表面防護技術領域，具體而言，涉及一種在核用結構材料表面制備高熵合金涂層的方法及核用耐輻照結構材料。

背景技術

近年來，高熵合金因其獨特的結構而受到廣泛關注。高熵合金是一種特殊金屬合金，其包含三種甚至更多的主要金屬元素，接近等原子比的體系，形成一個或者多個固溶體相。高熵合金具有熱力學上的高熵效應、結構上的晶格畸變效應、動力學上的遲滯擴散效應以及性能上的“雞尾酒”效應。與傳統合金相比，高熵合金表現出優異的高溫熱穩定性、耐腐蝕性和耐輻照性，是具有很好應用前景的核反應堆用結構材料。

然而，由于高熵合金具有較高的制備成本，難以直接使用其作為結構材料。而在鋼等結構材料表面制備高熵合金涂層同樣可以發揮高熵合金耐輻照的優勢，同時降低材料成本。

目前，制備高熵合金涂層的方法有多種，其中，激光熔覆技術是一種用高能激光束輻照金屬基體表面，將其與熔覆材料一起超快速熔化并超快速凝固形成涂覆層的加工技術，是目前高熵合金涂層最常用的制備方法。但由于激光熔覆是一個超快速加熱，又極快速冷卻的過程，涂層材料與基體材料之間存在差別，加之熔覆過程中的其它因素以及涂層材料組織成分的不均勻性等，均可能導致涂層出現裂紋、氣孔等缺陷，降低涂層質量，從而影響材料的耐輻照性能。

發明內容

本發明解決的問題是現有利用激光熔覆技術制備高熵合金涂層存在涂層致密性差等缺陷，使得核用結構材料的耐輻照性能較低。

為解決上述問題，本發明提供一種在核用結構材料表面制備高熵合金涂層的方法，通過該方法在核用結構材料表面制備出致密的高熵合金涂層，從而提高該核用結構材料的耐輻照結性能。所述在核用結構材料表面制備高熵合金涂層的方法包括：

以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的至少三種金屬單質為原料，利用電弧熔煉法制備高熵合金塊體，對所述高熵合金塊體進行破碎、球磨得到高熵合金粉末，對所述高熵合金粉末進行等離子球化，得到高熵合金球形粉末；

以所述高熵合金球形粉末為熔覆材料，利用激光熔覆法在核用結構材料表面制備高熵合金涂層。

較佳地，所述原料中各元素的摩爾比為Zr：W：Ta：Hf：V：Ti：Cr：Ce為0-25:0-25:0-25：0-25：0-25：0-25：0-25：0-5。

較佳地，所述等離子球化的過程在等離子球化裝置中進行，所述等離子球化裝置的輸出功率為40kW,送粉速度為50-180g/min，中央氣和載氣為氬氣，鞘流氣為氬氫混合氣，其中，所述中央氣的流量為15-30L/min，所述載氣的流量為2-4L/min，所述鞘流氣的流量為50-70L/min。

較佳地，所述高熵合金球形粉末的粒徑為15-70μm。

較佳地，所述對所述高熵合金塊體進行破碎、球磨得到高熵合金粉末包括：

將所述高熵合金塊體破碎成尺寸小于2mm的顆粒，得到高熵合金顆粒，將所述高熵合金顆粒置于不銹鋼球磨罐中進行高能球磨，球磨時控制球料比為12-15:1，球磨時間為20-36h，球磨時轉速為250-350rpm。