[发明专利]一种在核用结构材料表面制备高熵合金涂层的方法及核用耐辐照结构材料

说明书

本发明提供了一种在核用结构材料表面制备高熵合金涂层的方法及核用耐辐照结构材料。所述方法包括：以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的的至少三种金属单质为原料，利用电弧熔炼法制备高熵合金块体，对所述高熵合金块体进行破碎、球磨得到高熵合金粉末，对所述高熵合金粉末进行等离子球化，得到球形粉末；以高熵合金球形粉末为熔覆材料，采用激光熔覆法在核用结构材料表面制备出高熵合金涂层。本发明通过电弧熔炼、高能球磨和等离子球化制备高熵合金球形粉末，再通过激光熔覆方法在核用结构材料表面形成了致密的高熵合金涂层，提高了核用结构材料的耐辐照性能。

技术领域

本发明涉及金属表面防护技术领域，具体而言，涉及一种在核用结构材料表面制备高熵合金涂层的方法及核用耐辐照结构材料。

背景技术

近年来，高熵合金因其独特的结构而受到广泛关注。高熵合金是一种特殊金属合金，其包含三种甚至更多的主要金属元素，接近等原子比的体系，形成一个或者多个固溶体相。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的“鸡尾酒”效应。与传统合金相比，高熵合金表现出优异的高温热稳定性、耐腐蚀性和耐辐照性，是具有很好应用前景的核反应堆用结构材料。

然而，由于高熵合金具有较高的制备成本，难以直接使用其作为结构材料。而在钢等结构材料表面制备高熵合金涂层同样可以发挥高熵合金耐辐照的优势，同时降低材料成本。

目前，制备高熵合金涂层的方法有多种，其中，激光熔覆技术是一种用高能激光束辐照金属基体表面，将其与熔覆材料一起超快速熔化并超快速凝固形成涂覆层的加工技术，是目前高熵合金涂层最常用的制备方法。但由于激光熔覆是一个超快速加热，又极快速冷却的过程，涂层材料与基体材料之间存在差别，加之熔覆过程中的其它因素以及涂层材料组织成分的不均匀性等，均可能导致涂层出现裂纹、气孔等缺陷，降低涂层质量，从而影响材料的耐辐照性能。

发明内容

本发明解决的问题是现有利用激光熔覆技术制备高熵合金涂层存在涂层致密性差等缺陷，使得核用结构材料的耐辐照性能较低。

为解决上述问题，本发明提供一种在核用结构材料表面制备高熵合金涂层的方法，通过该方法在核用结构材料表面制备出致密的高熵合金涂层，从而提高该核用结构材料的耐辐照结性能。所述在核用结构材料表面制备高熵合金涂层的方法包括：

以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的至少三种金属单质为原料，利用电弧熔炼法制备高熵合金块体，对所述高熵合金块体进行破碎、球磨得到高熵合金粉末，对所述高熵合金粉末进行等离子球化，得到高熵合金球形粉末；

以所述高熵合金球形粉末为熔覆材料，利用激光熔覆法在核用结构材料表面制备高熵合金涂层。

较佳地，所述原料中各元素的摩尔比为Zr：W：Ta：Hf：V：Ti：Cr：Ce为0-25:0-25:0-25：0-25：0-25：0-25：0-25：0-5。

较佳地，所述等离子球化的过程在等离子球化装置中进行，所述等离子球化装置的输出功率为40kW,送粉速度为50-180g/min，中央气和载气为氩气，鞘流气为氩氢混合气，其中，所述中央气的流量为15-30L/min，所述载气的流量为2-4L/min，所述鞘流气的流量为50-70L/min。

较佳地，所述高熵合金球形粉末的粒径为15-70μm。

较佳地，所述对所述高熵合金块体进行破碎、球磨得到高熵合金粉末包括：

将所述高熵合金块体破碎成尺寸小于2mm的颗粒，得到高熵合金颗粒，将所述高熵合金颗粒置于不锈钢球磨罐中进行高能球磨，球磨时控制球料比为12-15:1，球磨时间为20-36h，球磨时转速为250-350rpm。