一种无钴高熵合金及其制备方法和应用

本发明属于高熵合金材料，更具体的说是涉及一种无钴高熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着社会进步和经济发展，人类对能源需求日益增大。然而，煤炭、石油、天然气等不可再生资源的开采和使用终将导致化石能源资源的枯竭，并且化石能源的过度使用会排放出大量温室气体co2，所产生的温室效应带来的全球变暖严重损害地球生态系统。

2、核能作为一种稳定高效的清洁能源，相较于水能、光能、风能等电力源具有供给稳定、无间隙性、受自然条件约束少等优点，有望成为代替传统化石能源的新能源。在核电站中，反应堆结构材料是核能建设的基础，对核反应堆系统的安全性、可靠性和运行寿命起关键作用。反应堆结构材料的服役环境复杂，因此对服役材料的综合性能要求苛刻。

3、高熵合金由于其高强度、高硬度、优良的耐腐蚀、抗高温软化性能以及独特的抗辐照性能，使其成为一种潜在的反应堆结构材料。研究表明，高熵合金独特的结构使其对辐照缺陷有一定的抑制作用。co资源作为一种战略资源，价格高，在我国的储量偏少。co元素在高中子嬗变下诱发产生的co60的放射性会增加中子辐照后处理过程中的辐射屏蔽要求，可能导致核电站运营维护期间工作人员暴露于更高剂量的辐射下，增加了核电站的建设成本，也产生了运营期间的安全隐患。

4、fcc结构(面心立方晶格)的高熵合金具有塑性良好，可加工性好等优点，但是强度不足。目前已在普遍应用的不锈钢和近些年比较热门的fecral系合金，其强度亦处于千兆级以下。

5、针对现存的技术问题，如何设计一种高强韧性、工艺简单、适用于核工业用结构材料的无钴合金是现在所迫切需求的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种无钴高熵合金及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种无钴高熵合金，按质量份计，合金原料包括：

4、38～42份fe、40～44份ni、8～12份cr、1～4份al和3～6份ti。

5、进一步的，所述无钴高熵合金，按质量份计，合金原料由38～42份fe、40～44份ni、8～12份cr、1～4份al和3～6份ti组成。

6、进一步的，所述合金原料中的fe、ni、cr、al和ti的摩尔比为8:8:2:1:1。

7、本发明无钴高熵合金成分配比使得合金在均质化退火后有良好的可加工性，避免合金在冷加工时出现开裂失效；在本申请限定的成分质量配比范围内，合金在后续的热机械处理中才可能形成纳米片层的微观组织结构。

8、本发明技术方案之二：提供一种上述无钴高熵合金的制备方法，步骤包括：

9、将合金原料在氩气气氛保护下进行真空电弧熔炼，得到合金产物；

10、将所述合金产物经均质化处理、冷轧处理、退火处理即得所述无钴高熵合金。

11、进一步的，所述真空电弧熔炼的步骤包括：电弧初始电流为60～80a，逐渐增加至145～155a熔化合金原料后，增加电流至200a，保持8～12s完成熔炼。

12、进一步的，所述真空电弧熔炼的次数为至少一次，真空度不高于0.005pa。

13、真空电弧熔炼保证合金的纯度与均匀性，避免合金氧化及氧气的渗入；合理的电流参数控制合金熔炼时的稳定性，避免原料烧损以保证合金成分准确性。

14、进一步的，所述均质化处理的温度为1150～1250℃，时间为2～4h。

15、进一步的，所述冷轧处理的轧下量为75～85％。

16、进一步的，所述退火处理的温度为600～750℃，时间为1～8h。

17、均质化退火使得合金减少了因凝固造成的成分偏析，并形成了纳米颗粒的第二相组织。较大的变形量可以使得合金加工硬化，提高形变储能，为后续形成纳米片层结构作必要铺垫。在600～750℃的范围内退火能够产生足够密度和尺寸合适的纳米片层，使合金具有强塑性匹配优良的力学性能。

18、进一步的，所述制备方法的具体步骤包括：

19、s1、将合金原料置入真空电弧熔炼炉中在氩气气氛保护下进行熔炼，熔炼后采用铜模吸铸法得到合金产物；

20、s2、将所述合金产物在1150～1250℃条件下均质化处理2～4h后水冷至室温；

21、s3、对于经过均质化处理的合金产物进行至少一次的冷轧处理；

22、s4、对于经过冷轧处理的合金产物在600～750℃条件下时效退火处理1～8h后水冷至室温即得所述无钴高熵合金。

23、本发明技术方案之三：提供一种上述无钴高熵合金作为高强结构材料在核工业领域中的应用。

24、本发明公开了以下技术效果：

25、本发明为不含co元素的高熵合金，避免了因co在经历辐照后的强放射性，减少了核工业因屏蔽含co材料造成的额外成本支出。合金在经过热机械处理后形成的纳米片层结构，具有较高的强度同时具备一定的塑性。本发明提供了一种适用核工业领域结构材料的成分配方及制备工艺。

26、本发明制备得到的无钴高熵合金的晶体结构为单一的fcc结构相，析出相在合金中的形态以二维纳米片层或纳米杆为主，分布较为密集，平均晶粒尺寸约为2微米，同时具有优异的拉伸力学性能，解决了现有技术中fcc结构相强度不足的技术问题。

27、本发明制备的无钴高熵合金在核工业应用中具有优异室温和中温力学性能，通过利用较为常见的过渡族元素和简单的工艺流程，制备得到了满足核电站结构材料服役的高力学性能需求合金材料，为开发第四代核聚变堆所面临的极端工况而提出的高服役要求提供了一种可选材料。

技术特征：

1.一种无钴高熵合金，其特征在于，按质量份计，合金原料包括：

2.根据权利要求1所述的无钴高熵合金，其特征在于，按质量份计，合金原料由38～42份fe、40～44份ni、8～12份cr、1～4份al和3～6份ti组成。

3.根据权利要求1或2所述的无钴高熵合金，其特征在于，所述合金原料中的fe、ni、cr、al和ti的摩尔比为8:8:2:1:1。

4.一种如权利要求1～3任一项所述的无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空电弧熔炼的步骤包括：电弧初始电流为60～80a，逐渐增加至145～155a熔化合金原料后，增加电流至200a，保持8～12s完成熔炼。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空电弧熔炼的次数为至少一次，真空度不高于0.005pa。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述均质化处理的温度为1150～1250℃，时间为2～4h；所述冷轧处理的轧下量为75～85％；所述退火处理的温度为600～750℃，时间为1～8h。

8.一种如权利要求1～3任一项所述的无钴高熵合金作为高强结构材料在核工业领域中的应用。

技术总结
本发明属于高熵合金材料技术领域，具体涉及一种无钴高熵合金及其制备方法和应用。无钴高熵合金原料包括Fe、Ni、Cr、Al和Ti。通过将合金原料在氩气气氛保护下进行真空电弧熔炼，得到合金产物，再将合金产物经均质化处理、冷轧处理、退火处理得到的无钴高熵合金晶体结构为单一的FCC结构相，析出相在合金中的形态以二维纳米片层或纳米杆为主，分布较为密集，平均晶粒尺寸约为2μm，具有优异的拉伸力学性能，解决了现有技术中FCC结构相强度不足的技术问题，在核工业应用中具有优异室温和中温力学性能，能够满足核电站结构材料服役的高力学性能需求，为开发第四代核聚变堆所面临的极端工况而提出的高服役要求提供了一种可选材料。

技术研发人员：王刚,任畅,贾延东
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21