一种(FeVCrMn)的制作方法

一种(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于合金强化及核聚变低活化结构材料领域，具体涉及一种(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.核聚变反应堆用结构材料的服役条件十分严苛，需要材料具有优异的抗中子辐照性能和高温力学性能，且成分满足低活化要求。聚变堆结构材料的发展是影响聚变堆设计、建设及商用的关键因素之一。传统合金一般以一种或两种合金元素为主，通过添加微量的其他元素或者辅以不同的加工工艺，来达到所需的力学性能要求，往往由于受制于主元素特性的限制，无法进一步提升其力学性能。
3.高熵合金是一种新型材料设计概念，由于不同组成元素的原子尺寸大小各异，其晶格会发生严重扭曲，并且在晶格中原子随机自由分布，使得高熵合金具有比一般合金更为优异的力学性能，具有广泛的潜在应用价值。高熵合金的成分选择较为灵活，能充分发挥各主元的特性。由于具有较高的混合熵，从而抑制了材料中金属间化合物的形成，可获得具有简单结构的固溶体组织。
4.抗辐照、耐高温、力学性能优异的结构材料是聚变堆关键材料。聚变堆用高熵合金概念为开发新型聚变材料提供了思路。在合金元素的选择上，需满足低活化需求。
5.因此，亟待开发一种低活化高熵合金，以作为新型聚变材料用于核聚变反应堆。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金及其制备方法，以fe、v、cr、mn为等原子比的主要成分，ti为调节元素，采用固溶强化为主的强化方法，达到高强度的力学性能。
7.实现本发明目的的技术方案：一种(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金，(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金的化学式中，x y＝100，x≥90，y≤10。
8.所述(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金为单相体心立方bcc结构，晶粒尺寸≤200μm。
9.所述(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金硬度≥400hv，弹性模量约200gpa，室温屈服强度≥700mpa，室温抗拉强度≥1200mpa。
10.所述(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金的化学式中，x＝95，y＝5。
11.所述(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金的化学式中，x＝98，y＝2。
12.一种制备(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金的方法，所述方法包括以下步骤：
13.步骤1、按照各元素的原子百分比，称取fe、v、cr、mn和ti单质元素的原料，放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；
14.步骤2、对放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内的fe、v、cr、mn和ti单质元素的原料进行真空电弧熔炼。
15.所述步骤2具体为：将真空仓抽真空至≤5
×
10-3
pa，再充入高纯氩气至真空仓压力
为-0.8至-0.6mpa，熔炼电流为350～450a，熔炼时通冷却水；将合金锭正反面反复熔炼3～5次，每次保持3-6分钟，合金处于液态时间总计10-30分钟，最后冷却后得到(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金铸锭。
16.本发明的有益技术效果在于：。
17.1、本发明的(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金硬度≥400hv，弹性模量约200gpa，室温屈服强度≥700mpa，室温抗拉强度≥1200mpa，该低活化高熵合金的强度远远高于现有的聚变堆低活化结构材料如低活化铁素体/马氏体钢及钒合金，是具有优异力学性能的新型低活化高熵合金聚变堆结构材料。
18.2、本发明制备步骤简单，易操作，高熵合金的制备周期低至3小时，操作过程只需真空电弧熔炼一个步骤，即可制得成分均匀的固溶强化(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金铸锭。
19.3、本发明制备材料所用的金属元素均为低活化元素，即在未来聚变堆中经中子辐照后材料的诱生放射性低，不仅能进一步缩短材料在中子辐照后的抗辐照性能测试周期，还可在未来聚变堆运行结束后缩短放射性废物处理时间及材料本身的循环利用周期。
附图说明
20.图1为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的x射线衍射(xrd)图谱；
21.图2为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金利用扫描电子显微镜(sem)观察到的微观结构；
22.图3为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的通过透射电子显微镜(tem)观察到的微观结构，其中，(a)基体高分辨tem像，(b)富ti相tem像，(c)富ti相的能谱图；
23.图4为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的真应力-应变曲线(室温)；
24.图5为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
98
ti2的低活化高熵合金的xrd图谱；
25.图6为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
98
ti2的低活化高熵合金利用sem观察到的微观结构；
26.图7为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
98
ti2的低活化高熵合金的通过tem观察到的微观结构，其中，(a)基体高分辨tem像，(b)富ti相tem像，(c)富ti相的能谱图；
27.图8为本发明所提供的组分为(fevcrmn)
98
ti2的低活化高熵合金的真应力-应变曲线(室温)。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
29.本发明制备的一种低活化高熵合金，组分为(fevcrmn)
x
tiy，化学式中x y＝100，x≥90，y≤10。其中fe、v、cr和mn为等原子比的主要成分，均为ti为调节元素，原子百分数为y％。其中，fe、v、cr、mn和ti均是传统聚变堆结构材料如低活化铁素体/马氏体钢及钒
合金的主要元素。采用固溶强化为主的强化方法，达到高强度的力学性能。
30.这种固溶强化低活化高熵合金为单相体心立方(bcc)结构，晶粒尺寸≤200μm。硬度≥400hv，弹性模量约200gpa，室温屈服强度≥700mpa，室温抗拉强度≥1200mpa。该低活化高熵合金的强度远远高于现有的聚变堆低活化结构材料如低活化铁素体/马氏体钢及钒合金。
31.这种固溶强化低活化高熵合金的组分可以是(fevcrmn)
98
ti2，包含原子分数均为24.5％的fe、v、cr、mn，以及原子分数为2％的ti。
32.进一步优选的这种固溶强化低活化高熵合金的组分还可以是(fevcrmn)
95
ti5，包含原子分数均为23.75％的fe、v、cr、mn，以及原子分数为5％的ti。ti含量的增加可显著减小合金晶粒尺寸，提高合金强度。
33.制备这种固溶强化低活化高熵合金的方法，包括以下步骤：
34.1)按照原子比称取所需重量的纯度≥99.95％的fe、v、cr、mn和ti单质元素的原料颗粒，放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；
35.2)进行真空电弧熔炼。将熔炼炉真空仓抽真空至≤5
×
10-3
pa，再充入纯度≥99.999％的高纯氩气至真空仓压力为-0.8至-0.6mpa。高纯氩气作为保护气和燃弧介质，熔炼电流为350～450a，熔炼时通冷却水防止水冷铜盘过热熔化。为了使得合金成分及组织均匀化，合金锭须正反面反复熔炼3～5次，每次保持3-6分钟，合金处于液态时间总计10-30分钟，最后冷却后得到(fevcrmn)
x
tiy低活化高熵合金铸锭。
36.实施例1
37.一种固溶强化低活化高熵合金，其组分是(fevcrmn)
95
ti5，包含原子分数均为23.75％的fe、v、cr、mn，以及原子分数为5％的ti。按照原子比称取所需重量的纯度≥99.95％的fe、v、cr、mn和ti单质元素的原料颗粒，放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；将熔炼炉真空仓抽真空至≤4
×
10-3
pa，再充入纯度≥99.999％的高纯氩气至真空仓压力为-0.7mpa。高纯氩气作为保护气和燃弧介质，熔炼电流为400a，熔炼时通冷却水防止水冷铜盘过热熔化。为了使得合金成分及组织均匀化，合金锭须正反面反复熔炼4次，每次保持5分钟，合金处于液态时间总计20分钟。最后冷却后得到(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金铸锭。
38.采用阿基米德排水法测量(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金的密度为7.008g/cm3。利用hvs-1000a型显微维氏硬度计测试其硬度约510hv。采用dx-2700型x射线衍射仪对(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金进行物相分析，结果如图1所示，依据晶格衍射消光规律，可以确定图谱中衍射峰分别对应于体心立方(bcc)结构的(110)、(200)、(211)晶面，(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金为单相bcc晶格结构。根据布拉格方程λ＝2dsinθ，计算出其晶格常数为合金的晶格常数异于各元素组元纯金属的晶格常数，表明合金元素的原子间引起了晶格畸变，起到了固溶强化作用。
39.利用扫描电子显微镜(sem)观察本实施例制备的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的微观结构，如图2所示，(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金的微观结构为元素分布均匀的等轴晶。如图2所示，采用蔡司auriga场发射扫描电子显微镜观察其晶粒尺寸为20-70μm，平均尺寸约40μm，晶粒较为细小、合金组织较为均匀。通过透射电子显微镜(tem)观察本实施例制备的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的微观结构，其透射电镜形貌(含显示原子排布的高分辨图像)如图3所示，其中，(a)为基体高分辨tem像，(b)为富ti相的tem
像，(c)为富ti相的能谱图。各合金元素溶入金属基体，不同种类原子之间相互固溶，造成严重晶格畸变，主要以固溶强化方式提高高熵合金强度。合金基体成分为3.9ti-24.1v-23.2cr-22.5mn-26.3fe，与设计成分相近。其中偶有发现尺寸约1μm的富ti相，其成分为10.5ti-15.4v-16.5cr-24.8mn-32.9fe(wt.％)，含有比基体稍高的ti和fe含量，为成分稍有偏析的高熵合金相，与基体一样起到强化作用。
40.通过圆柱形平面压入法测试得到本实施例制备的组分为(fevcrmn)
95
ti5的低活化高熵合金的室温真应力-应变曲线，如图4所示。经平面压入测试相关理论公式计算，(fevcrmn)
95
ti5合金的弹性模量约为198gpa，屈服强度约1040mpa，抗拉强度1640mpa，应变硬化指数0.198，应变硬化系数2760。该高熵合金的强度远远高于现有的聚变堆低活化结构材料如低活化铁素体/马氏体钢及钒合金(其室温抗拉强度仅500-700mpa)。
41.实施例2
42.一种固溶强化低活化高熵合金，其组分是(fevcrmn)
98
ti2，包含原子分数均为24.5％的fe、v、cr、mn，以及原子分数为2％的ti。按照原子比称取所需重量的纯度≥99.95％的fe、v、cr、mn和ti单质元素的原料颗粒，放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；将熔炼炉真空仓抽真空至3.5
×
10-3
pa，再充入纯度≥99.999％的高纯氩气至真空仓压力为-0.8mpa。高纯氩气作为保护气和燃弧介质，熔炼电流为390a，熔炼时通冷却水防止水冷铜盘过热熔化。为了使得合金成分及组织均匀化，合金锭须正反面反复熔炼5次，每次保持3分钟，合金处于液态时间总计15分钟。最后冷却后得到(fevcrmn)
95
ti5低活化高熵合金铸锭。
43.采用阿基米德排水法测量(fevcrmn)
98
ti2低活化高熵合金的密度为7.053g/cm3。利用hvs-1000a型显微维氏硬度计测试其硬度约为430hv。采用dx-2700型x射线衍射仪对(fevcrmn)
98
ti2低活化高熵合金进行物相分析。结果如图5所示，依据晶格衍射消光规律，可以确定图谱中衍射峰分别对应于bcc结构的(110)、(200)、(211)晶面，(fevcrmn)
98
ti2低活化高熵合金为单相体心立方(bcc)晶格结构。根据布拉格方程，λ＝2dsinθ，计算出晶格常数为合金的晶格常数异于各元素组元纯金属的晶格常数，表明合金元素的原子间引起了晶格畸变，起到了固溶强化作用。
44.如图6所示，采用蔡司auriga场发射扫描电子显微镜观察(fevcrmn)
98
ti2低活化高熵合金的显微组织为元素分布均匀的等轴晶，晶粒尺寸20-200μm，平均尺寸约120μm，晶粒较为细小、合金组织较为均匀。
45.图7为(fevcrmn)
98
ti2合金的tem显微结构，(a)为基体高分辨tem像，(b)为富ti相的tem像，(c)为富ti相的能谱图。其中富ti相成分96ti-1.95v-0.8cr-0.07mn-0.62fe(wt.％)，与基体成分0.71ti-25.7v-27.9cr-20.1mn-25.6fe(wt.％)相比，该富ti相可能是一种析出相，但其ti含量非常高，对合金也起到一定强韧化作用。
46.其室温真应力应变-曲线如图8所示，经平面压入测试相关理论公式计算，(fevcrmn)
98
ti2合金的弹性模量约为202gpa，屈服强度约760mpa，抗拉强度约1290mpa，应变硬化指数0.204，应变硬化系数2180。该高熵合金的强度远远高于现有的聚变堆低活化结构材料如低活化铁素体/马氏体钢及钒合金。
47.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。