一种耐铅铋腐蚀的含W多元素MAX相陶瓷材料及其应用

本发明涉及max相陶瓷材料，具体是一种耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料及其应用。

背景技术：

1、核电作为一种高效、清洁的能源，具有能量密度高、运行稳定、经济可持续等优势：其发电过程不产生温室气体，年利用小时数常年超7000小时，不受天气影响，且长期运营成本较低，是优化能源结构、应对气候变化的战略选择。在第四代核电系统中，铅冷快堆（lfr）是重点发展的堆型之一。它以液态铅铋合金（lbe）为冷却剂，因其具有优异的中子学性能、抗辐照损伤性强、传热性好以及低熔点高沸点等特性，被视为理想的冷却剂材料。然而，铅铋合金在高温运行下会对反应堆结构部件（如主泵叶轮、燃料包壳）产生腐蚀。这种腐蚀涉及复杂的物理化学过程，包括材料组分元素的溶解、流动lbe对材料的冲蚀、元素在固液两相中的迁移，以及腐蚀产物与杂质的化学反应。这些作用会导致材料性能退化，对反应堆的运行安全构成威胁。因此，解决材料腐蚀问题是铅冷快堆技术发展的关键。

2、目前lfr的候选结构材料主要包括t91、316l等不锈钢以及陶瓷材料。以316l、15-15ti为代表的奥氏体不锈钢虽具有优异的高温蠕变和抗辐照性能，但在高温液态铅铋合金（lbe）中易发生元素溶解导致强度损失。陶瓷材料虽质量损失较小，但因本征脆性且腐蚀易扩展表面裂纹，难以直接应用。而兼具金属塑韧性和陶瓷耐蚀性的max相陶瓷，因其腐蚀后氧化层厚度小，成为极具前景的候选材料。现有报道中，常见ti基max相陶瓷如ti3al1-xsixc2（

x=0~1），通过si掺杂al位可一定程度抑制表面裂纹形成，但所形成的主要含ti氧化物层仍较为疏松，难以避免元素的溶出。近年来发展出的cr-ti基max相，如cr2tialc2，因部分ti被cr取代，使其在贫氧条件下更易形成氧化膜，从而对元素溶解表现出一定抑制作用。然而，该改性策略仍不足以保障形成连续、具有保护性的氧化层，因此未能从根本上消除元素溶出现象，难以显著提升max相陶瓷在铅铋环境中的耐腐蚀性能。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，为进一步提高max相陶瓷在铅铋环境中的耐腐蚀性能，本发明提供了一种耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料。有效解决了现有陶瓷材料在高温液态金属环境中的腐蚀溶解问题。

2、本发明提供的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，以cr1.75ti1.65mo0.6alc3为基体，通过w元素对mo元素进行部分取代制备得到；化学表达式为：

3、cr1.75ti1.65mo0.6xwxalc3，其中，0

4、所述陶瓷材料可以通过下述两种方法制成：

5、方法一：

6、步骤（1）、以cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉为原料，置于球磨罐中球磨处理，使各元素粉末混合均匀。球磨处理采用间歇式球磨处理，防止粉末因温度过高粘结。

7、步骤（2）、将球磨混合均匀的粉末装入石墨模具中，置于高温管式炉内，在氩气气氛保护下进行高温固相反应，反应温度为1400～1500℃，保温时间为1～3h，得到块状初烧结体。随后，将所得块状初烧结体破碎后，与乙醇一同置于球磨罐中进行湿法球磨，得到浆料；将浆料置于真空烘箱中，在120℃下干燥12h，获得干燥粉末。

8、步骤（3）、将干燥粉末装入石墨模具，置于放电等离子烧结炉中，在氩气气氛保护下进行高压烧结，烧结条件：压力10mpa～40mp，温度1100℃～1200℃，烧结时间5min～15min，制得结构致密、物相纯度高的目标物耐铅铋腐蚀的max相陶瓷材料。

9、方法二：

10、步骤（1）、以cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉为原料，置于球磨罐中球磨处理，使各元素粉末混合均匀。球磨处理采用间歇式球磨处理，防止粉末因温度过高粘结。

11、步骤（2）、将球磨混合均匀的粉末装入石墨模具中，置于高温管式炉内，在氩气气氛保护下进行加压高温固相反应，加压压力为10mpa～40mpa，反应温度为1400～1500℃，保温时间为1～3h，制得目标物铅铋腐蚀的max相耐陶瓷材料。

12、上述两种方法中采用的cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉的纯度≥99%。cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉的化学计量摩尔比优选为1.75:1.65:0.6x:x:1.35:3，0

13、优选的是，采用方法一制备含w多元素max相耐陶瓷材料，通过无压高压固相反应与放电等离子烧结的联用可以最大限度提升陶瓷材料致密度。

14、本发明提供的含w多元素max相陶瓷材料的使用条件是500℃～600℃液态铅铋环境，可以用作铅冷快堆的结构材料。

15、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

16、（1）本发明是以cr1.75ti1.65mo0.6alc3为基体，利用w元素来取代等摩尔比例减少的mo元素，制备掺杂w元素的cr-ti-mo-w多元素max相陶瓷材料。w元素的引入具有双重作用机制：一方面，部分w占据4f晶格位置，通过增强过渡金属-碳键合强度提升mc型碳化物层的结构稳定性，同时削弱过渡金属与铝层的键合，使其更易断裂，从而促进al的选择性溶出；另一方面，w的掺入有效降低了al2o3形成的吉布斯自由能，有利于在贫氧条件下诱导生成致密的al2o3保护层。得益于上述机制，所制备的陶瓷材料在铅铋腐蚀环境中表现出长达2000小时的稳定性，显著提升了其耐腐蚀性能。

17、（2）与现有铅冷快堆所用的合金材料相比，本发明的含w多元素max相陶瓷材料的力学性能得到改善，纳米硬度为11gpa～15gpa，从而降低其在服役过程中微动磨损和冲蚀磨损造成的损耗，且因基体材料含有延展性较好的ti元素，对材料的脆性影响较小。

18、（3）本发明利用w掺杂增强碳化物部分强度并削弱al层元素键合，在腐蚀过程中促进al的选择性溶出，同时降低al2o3在腐蚀过程中生成时的吉布斯自由能，使之能更快形成连续氧化层，保护基体材料免受腐蚀。

19、（4）本发明的含w多元素max相陶瓷材料成分易于调控，所需原料粉末易于获取，皆为市售原料；制备过程中保温和冷却时间短，工艺简单。

20、本发明的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

1.一种耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料以cr1.75ti1.65mo0.6alc3为基体，通过w元素对mo元素进行部分取代制备得到；其化学表达式为：

2.如权利要求1所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料以cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉为原料，球磨混合后在氩气气氛保护下进行高温固相反应，再进行放电等离子烧结处理制备而成。

3.如权利要求2所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，所述高温固相反应的条件：反应温度为1400～1500℃，保温时间1～3h，得到块状初烧结体。

4.如权利要求3所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，所述块状初烧结体通过湿法球磨后干燥，获得干燥粉末。

5.如权利要求4所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，将所述干燥粉末进行放电等离子烧结处理，处理条件：温度为1100℃～1200℃，时间为5min～15min，加压压力为10mpa～40mpa。

6.如权利要求1所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料以cr粉、ti粉、mo粉、w粉、al粉和c粉为原料，球磨混合后在氩气气氛保护下进行加压高温固相反应制备而成。

7.如权利要求6所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料，其特征在于，所述加压高温固相反应的条件：加压压力为10mpa～40mpa，反应温度为1400～1500℃，保温时间为1～3h。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的耐铅铋腐蚀的含w多元素max相陶瓷材料的应用，其特征在于，用作铅冷快堆的结构材料。