一种低中子吸收的低密度中熵合金及其制备方法和应用

1.本发明涉及中熵合金技术领域，特别涉及一种低中子吸收的低密度中熵合金及其制备方法和应用。


背景技术：

2.中子散射技术在生物、生命、医药、材料、工业探伤等领域得到广泛应用。由于中子不带电、穿透性极强、具有磁矩和波粒二象性等特点，使其能直接鉴别元素且对轻元素灵敏度高，对研究原子和分子尺度静态微观结构具有优势。传统材料在中子辐照中，会被诱导产生位错、位错环以及位错四面体等基体缺陷，使得晶格增大并产生硬化现象，因而造成材料服役寿命降低。停机对服役材料进行更换不仅会造成大量的经济损失，也会给现场工作人员造成安全隐患，所以延长服役时间成为关键。ti、v、zr和nb等元素混合制备的中高熵合金独特的晶格畸变可以提高空位形成能，抑制溶质原子扩散，从而抑制上述基体缺陷的产生，使中高熵合金具有优于传统金属的抗辐照性能，具有广阔的应用前景。作为中子散射样品盒材料，应具备超低的中子散射信号，从而减少对测试样的干扰。目前服役的样品盒材料ti2.08zr具有较低的中子散射信号，但是力学性能一般。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种低中子吸收的低密度中熵合金及其制备方法和应用。本发明提出的新型低密度中熵合金材料不仅具有超低的中子散射信号，而且具有优异的力学性能，可以服役温度区间更加宽泛。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.本发明技术方案之一：提供一种低中子吸收的低密度中熵合金，具体成分配比为ti
avb
zrcnbd，其中a b c d＝1；(3.4a 0.38b-7.1c-7d)2《0.5％；0.35≤a≤0.5，0.1≤b≤0.3，0.1≤c≤0.3，0.05≤d≤0.3。
6.由于ti、v、zr等元素本身具有较低的密度和相对较高的熔点，有利于中熵合金表现出低密度和较宽温域的服役能力。在中子散射方面，ti和v表现为正散射信号，zr和nb表现为负散射信号，本发明通过合理的成分调控，使中熵合金的散射信号近乎为零。
7.本发明技术方案之二：提供一种上述低中子吸收的低密度中熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.将ti、v、zr和nb四种原料放入熔炼炉坩埚中；抽真空并通入惰性气体；优先熔炼ti锭进行真空电弧熔炼，以吸收熔炼炉内残余的氧气，然后将所有原料按熔点高低依次进行电弧熔炼至熔化且均匀混合，冷却后将铸锭翻转再熔炼，重复熔炼5遍以上以保证铸锭混合均匀，制得低中子吸收的低密度中熵合金。
9.优选地，将ti、v、zr和nb四种原料放入熔炼炉坩埚中时按照熔点由低到高的顺序放入，以便熔化均匀。
10.优选地，所述抽真空的真空度低于5
×
10-3
pa。
11.优选地，熔炼炉内惰性气体的压力低于标准大气压，高于10-3
pa。
12.优选地，冷却再熔炼步骤的重复次数为4～6次。
13.优选地，电弧熔炼的电流高于300a。
14.本发明技术方案之三：提供一种上述低中子吸收的低密度中熵合金在制备中子散射样品盒中的应用。
15.本发明的有益技术效果如下：
16.(1)本发明提供的ti
avb
zrcnbd低密度中熵合金具有几乎无中子散射信号的特点。
17.(2)本发明的ti
avb
zrcnbd低密度中熵合金在宽温域范围(77k-1073k)具有高强度和优异的塑性变形能力。
18.(3)本发明以ti、v、zr和nb四种难熔元素进行中熵合金设计，制备成中子散射实验样品盒，其散射信号长度比现役钛锆合金低一个数量级，使得中子散射实验的数据精确可靠。且本发明制备的材料，具有优异的力学性能和中高熵合金独有的晶格畸变特性，能够显著的提高合金材料抵抗中子辐射的能力和使用安全系数，且可批量生产并广泛应用于中子散射实验中。
附图说明
19.图1为本发明实施例1和2制得的低密度中熵合金及对比例的中子散射图谱，其中a、b为不同纵坐标的中子散射图谱。
20.图2为本发明实施例1和2制得的低密度中熵合金与ti2.08zr合金中子散射长度对比。
21.图3为本发明实施例1制得的低密度中熵合金在不同温度下的真实应力-应变曲线。
具体实施方式
22.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
23.另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
24.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
25.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
26.实施例1
27.按照原子百分比为ti46v30zr12nb12制备低密度中熵合金材料：
28.(1)使用砂轮机打磨去掉ti、v、zr和nb四种高纯原料表面的氧化皮，采用乙醇超声
清洗；其中ti、v、zr和nb高纯原料为纯度均大于99.9％的块体；
29.(2)将ti、v、zr和nb四种原料按熔点从低到高顺序放入熔炼炉坩埚中；确保高熔点的原料位于坩埚上部；
30.(3)抽真空至5
×
10-3
pa以下，并通入99.9％高纯氩气，以上述步骤重复洗气4次，最后通入纯氩气作为保护气体，炉内气压10-2
pa，对熔炼炉中的ti锭进行真空电弧熔炼2min，以此消耗炉腔内微量氧气，将电弧移开使得ti完全凝固且表面光亮，然后再对ti、v、zr和nb原料进行电弧熔炼至熔化且均匀混合，冷却凝固形成钮扣锭，将其翻转再熔炼，重复5次，直至最后得到冷却到室温的优异宽温域、高力学性能、低密度和无中子散射信号的中熵合金材料；其中电弧熔炼炉工作时电流为350a。
31.实施例2
32.按照原子百分比为ti47v29zr18nb6制备低密度中熵合金材料，制备方法同实施例1。
33.图1为本发明实施例1和2制得的低密度中熵合金和现役的ti2.08zr合金样品盒(对比例)的实测中子散射图谱，其中a、b为不同纵坐标的中子散射图谱。从图1中a能够看出，实施例1和2制备的低密度中熵合金经中子散射实验(中国散列中子源)测定，材料几乎无散射信号，与现役样品盒表现一样，信号近乎一条直线。图1中b是图1中a的部分放大图，可以发现，实施例1和2所得低密度中熵合金比现役样品盒(对比例)具有更低的中子散射信号。从而说明低密度中熵合金作为样品盒可以获得更高质量的数据。
34.将本发明实施例1和2制得的低密度中熵合金与现役的ti2.08zr合金(对比例)进行对比，二者的密度及成分对比数据见表1，三种合金的理论中子散射长度对比图见图2。从图2中能够看出，与现役的ti2.08zr合金对比，实施例1和2制备的低密度中熵合金具有更低的理论中子散射长度。
35.表1实施例1、2和对比例的成分和密度
[0036][0037]
图3为本发明实施例1制得的低密度中熵合金在不同温度下的真实应力-应变曲线。从图3中能够看出，实施例1制备的低密度中熵合金经宽温域拉伸实验，材料表现出高强度和优异的塑性变形能力。
[0038]
实施例1制备的低密度中熵合金按照中子散射样品盒的要求加工成合适尺寸，即可得到中子散射样品盒。
[0039]
可以预期的是，由于所用原料的中子散射信号几乎为零，这将有利于减少中子散射实验误差及相关干扰因素，使得所得测试数据更加精准可靠。同时，由于所用原料在宽温域内具有优异的力学性能，独有的晶格畸变特点可以抑制辐射诱导的空位产生，显著提高样品盒的服役时间。
[0040]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。