[发明专利]一种核用中熵合金体系及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种核用中熵合金体系及其制备方法与应用，属于中熵合金材料及其制备技术领域。本发明FeCrV系，由四种低活化元素Fe、Cr、V和M(Ti、Mn、Ni、Zn中的一种)组成，其中Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x，0≤x≤0.5。经过原料处理和称料配比，采用磁悬浮(金属原料样品与坩埚无接触)电弧熔炼方式和退火热处理制备得到核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料。本发明的低活化FeCrV系中熵合金材料表现出优异的高温热稳定性和高强、高韧性能。该中熵合金有望应用于ADS散裂靶靶窗和次临界反应堆堆芯、聚变堆和第四代核裂变反应堆堆芯，以及强酸性环境或液态金属环境的结构材料或者涂层材料。

技术领域

本发明属于高/中熵合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系(FeCrVM_x，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金体系及其制备方法与应用。

背景技术

核能是一种高能量密度的低碳清洁能源。在中国乃至全世界，大力发展核能作为克服化石能源短缺和环境污染治理的重要途径而备受重视。材料在极端环境下的使役行为是制约核能使用和发展的主要瓶颈之一，材料问题决定着核能系统的可行性、安全性和经济性。

核电技术的革新带来核能利用率和安全性的大幅提升，同时更加苛刻的工况环境对材料提出了更高要求。例如，聚变堆第一壁材料(直接面向等离子体的材料)需要满足多种严苛的要求：低氚滞留和渗透、优异的抗中子辐照能力(100dpa)、抗等离子体辐照、低活化、耐高温、耐热冲击等。同样的，第四代核裂变反应堆的堆内结构材料将面临更高的温度、压力和中子通量的极端恶劣工况环境。因此，开发能够用于聚变堆、第四代核裂变反应堆或者加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)等先进核能系统的(候选)工程材料是推动核能开发和应用中的一项关键工作。

目前已广泛使用的钢铁和合金材料，以及新近提出的一些有望应用于未来先进核能系统的候选结构材料都存在着各种各样的问题，不能完全满足聚变堆、第四代核裂变堆和加速器驱动次临界系统(ADS)等先进核能系统的工况要求。例如：T91、316L、15-15Ti钢和合金材料存在高温强度不够、非低活化(辐照后嬗变产物多、放射性水平高)、辐照蠕变和脆化等问题；Zr合金的固有安全问题(高温下的锆水反应产氢)；Fe基RAFM钢在0～10dpa下辐照脆化的问题；ODS钢的大规模生产工艺和成本控制等问题；SiC、ZrO₂等陶瓷材料的韧性差、难加工等问题；SiC纤维复合材料等虽然韧性得到了部分增强，但又带来了热导变差和复合界面结合等多重问题。这些典型问题都极大的制约了上述材料在未来先进核能系统中的可能应用。而“高/中熵合金(HEAs/MEAs)”材料，因其具有独特的热力学上的高混合熵效应、晶体学上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的鸡尾酒效应等特点，经过特殊的组分设计和制备，这种特殊的高/中熵合金材料有可能具备高强度、高韧性、高硬度、耐高温、耐高压、耐腐蚀和抗辐照等优良性能，使得高/中熵合金(HEAs/MEAs)材料在未来先进核能系统候选用材方面具有良好的应用前景。

目前，针对核用高/中熵合金材料的开发还处于起步阶段。虽然已有文章和专利对部分高/中熵合金材料体系进行了报道和研究，但他们所涉及的高/中熵合金材料体系往往含有Al、Cu等非低活化元素；再有就是针对材料具备高强度所设计的难熔高/中熵合金材料体系，其高温下的强度性能极高，但是往往韧性很差。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系。

本发明所提供的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系，由三种低活化元素Fe、Cr、V组成，其中，Fe、Cr、V的原子摩尔比依次为1:1:1，

进一步地，所述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系还可包括第四种低活化元素M，其中，Fe、Cr、V和M的原子摩尔比依次为1:1:1:x，0≤x≤0.5，M为Ti、Mn、Ni、Zn的任一种。