[发明专利]一种核用高熵合金及其制备方法

说明书

本发明属于核动力技术领域，具体涉及一种核用高熵合金及其制备方法。所述高熵合金包括Fe、Cr、Ni、Al及Zr元素，各元素的含量以原子百分比计，Fe、Cr、Ni及Al元素的含量均为(23‑24.5)at.％，Zr元素的含量为(2‑8)at.％。所述制备方法，工艺简单易行、效率高，对设备要求低，成本低。此外，该方法制备得到的核用高熵合金具有较高的强度和较好的塑性，高熵合金经过高能粒子辐照，由于高熵合金高的原子水平力，使合金发生非晶化，保证合金高的化学均匀性，最终再结晶的合金由于辐照产生的缺陷和传统合金相比会大幅度减少，从而高熵合金具有优良的抗辐照能力。

技术领域

本发明属于核动力技术领域，具体涉及一种核用高熵合金及其制备方法。

背景技术

核电站关键部件的长期可靠安全运行，直接关系到电站的使用寿命。由于核电关键结构材料长期工作在高温、辐照、腐蚀、流致、振动等复杂环境中，因此其极易产生损伤。通过材料设计研发，提高核电关键材料的抗腐蚀、抗辐照、抗磨损等服役性能，可使现役电站延寿或新建电站的使用寿命达到60-80年。

目前，反应堆结构用材料主要包括锆合金、不锈钢、镍基合金、低合金钢等。其中，所用锆合金在堆芯温度超过1000℃的事故条件下易与水和蒸汽发生剧烈反应，生成大量氢气，可能引发爆炸，加剧事故，2011年福岛核事故的发生就与此相关。因此，福岛核事故后，世界核能大国均非常重视设计开发能提高轻水堆在设计基准事故和超设计基准事故下安全性的新型核燃料包壳材料。

压力容器的压力壳是电站的核心部件。在压水堆中，压力壳承受高达15.5MPa的压力，并在300℃左右长期服役。目前，压力壳用材料主要为508III低合金钢，在服役时，受到中子辐照损伤，而发生组织结构转变，产生脆化问题。由于压力壳不可更换，因此核电站的服役寿命取决于压力壳材料的降质程度，需要提高其抗热时效、抗辐照能力。而不锈钢和镍基合金部件在服役时的环境损伤失效仍然是导致反应堆停堆检修的主要问题，仍需要提高材料性能以满足电站长期安全运行。在电站中使用的结构材料产品品种繁多，包括板材、管材、锻件、棒材等，面临的失效形式多样，包括辐照损伤、腐蚀、磨损等，这对结构材料的使用性能提出了很高的要求。

现有的高熵合金是一种新型的合金材料。不同于传统合金，高熵合金拥有五个或者更多的主元，多主元带来的高熵值可以抑制复杂相结构和大量金属间化合物生成，同时也使其拥有优异的综合性能。高熵合金的结构特点决定了高熵合金能够在多种环境下获得优异的性能：简单的固溶体结构保证了良好的塑性；晶格畸变效应保证了高的强度和硬度；缓慢扩散效应保证了高熵合金优异的耐高温软化能力；多种主元形成的复杂钝化层保证了优异的耐蚀性；过渡族元素的磁性保证了优异的磁学性能。另外，上述的独特结构相互耦合，不仅能够明显的提高某一环境下的性能，获得合金特定性能上的突破，而且有针对性地设计成分和工艺，能够得到综合性能优异的合金。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种核用高熵合金及其制备方法，以满足核工业中人们对材料使用性能的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种核用高熵合金，包括Fe、Cr、Ni、Al及Zr元素，各元素的含量以原子百分比计，所述Fe、Cr、Ni及Al元素的含量均为(23-24.5)at.％，Zr元素的含量为(2-8)at.％。

进一步，所述Fe、Cr、Ni及Al元素的含量均为24.39at.％，Zr元素的含量为2.44at.％。

进一步，所述高熵合金由纯度为99.9的高纯Fe、99.8的电解Ni、99.7％电解Cr、99.5％电解Al及99.4的核级海绵Zr，按照化学式Fe-Cr-Ni-Al-Zr_0.1配制而成。

此外，本发明还提供了一种核用高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：