一种新型UVTaTi系高热稳定性的含铀高熵合金的制作方法

一种新型uvtati系高热稳定性的含铀高熵合金
技术领域
1.本发明属于高熵合金材料领域，特别是涉及一种含铀元素的新型高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.核反应堆中使用的结构材料承受着严苛的辐照环境。辐照引起的缺陷以及随之而来的机械性能变化严重威胁着反应堆的安全性和可靠性。因此，抑制缺陷演变和保持机械性能完整性是用于下一代具有更苛刻辐照条件的反应堆的新型材料的关键任务。单相固溶体合金，包括高熵合金和中熵合金，由于其出色的机械性能、耐腐蚀性，尤其是耐辐照性能，受到广泛关注。
3.在过去的十年中，报道了对单向固溶体合金的离子辐照响应的广泛研究。然而，这些合金通常包含具有高中子活度的元素，并且其中大多数在高温下无法保持足够的强度和相稳定性。例如，具有面心立方(fcc)结构的nicofecr合金已展现出改进的耐辐照性，包括减少空隙/气泡膨胀和较弱的元素偏析。但该合金含有高中子活性的元素，在高温下不能保持足够的强度。d.j.m.king等发现nbtivzrx合金在700℃退火后出现大量析出物，o.el-atwani等发现w-ta-cr-v合金在1073k退火后观察到富含cr和v的第二相颗粒，b.schu等发现在剧烈塑性变形和随后的700和900℃退火后，aitivnb中会形成金属间相。这种不稳定性可能会威胁到服役期间性能的可靠性。因此，高熵合金具备突出的耐辐照能力，在核领域具有广泛的应用前景，然而其在高温下的强度及相稳定性亟待解决。
4.vtati是具有单相体心立方(bcc)结构高熵合金，该合金在室温和高温下都具有出色的强度-延展性平衡，如此出色的特性赋予其在核工程领域的潜在应用。但它的辐照响应在很大程度上仍然未知。n.jia等人研究了等原子tivta合金对mev he离子辐照的微观结构响应，主要是关于氦气泡的形成和生长，he气泡形成的抵抗力。发现在相同的辐照量下，tivta中he气泡的平均尺寸最大，气泡密度最小。
5.然而，目前对于u-v-ta-ti系高熵合金的研究还鲜见报道，对于u、v等元素在u-v-ta-ti体系中的作用机理也尚不明晰。开发基于u-v-ta-ti体系的高熵合金，并充分考虑u元素的作用，从而实现含铀高熵合金的结构功能一体化，对于开发新型具有高热稳定性的含铀高熵合金以及促进核材料领域的安全发展具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对目前热稳定性差的nbtivzr、altivnb等合金，高温易相变、在反应堆长时间照射后容易发生辐照损伤等瓶颈问题，同时其他研究对于含u高熵合金燃料的研究未给予充分的重视，本发明提出一种具有高热稳定性的基于u-v-ta-ti系的高熵合金，并充分考虑u元素的特殊作用，从而实现高熵合金的结构功能一体化。
7.为实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案如下。
8.一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其组分按原子百分比
为：铀：15～60％；钒：10～35％；钽：10～35％；钛：15～50％；铌：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。
9.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：15％；钒：20％；钽：35％；钛：15％；铌：10％，铝：5％，余量为不可避免的杂质。
10.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：15～60％；钒：10～35％；钽：10～20％；钛：15～50％；铌：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。
11.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：60％；钒：10％；钽：10％；钛：19.89％；铌：0.1％，铝：0.01％，余量为不可避免的杂质。
12.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钒：10～35％；钽：10～20％；钛：15～50％；铌：3～10％；铝：2～10％，余量为不可避免的杂质。
13.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：30％；钒：20％；钽：20％；钛：15％；铌：10％，铝：5％，余量为不可避免的杂质。
14.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钒：10～35％；钽：10～15％；钛：15～50％；铌：3～5％；铝：2～10％，余量为不可避免的杂质。
15.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：15％；钒：10％；钽：10％；钛：50％；铌：5％，铝：10％，余量为不可避免的杂质。
16.上述技术方案的进一步改进与优化，其组分按原子百分比为：铀：30％；钒：35％；钽：15％；钛：15％；铌：3％，铝：2％，余量为不可避免的杂质。
17.所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti系高热稳定性的高熵合金，压缩屈服强度：720～1200mpa，延展率：5％-20％。
18.本发明的一种含铀元素基于u-v-ta-ti系高热稳定性的高熵合金的制备方法，具体包括如下步骤：(1)准备原料：按含铀元素的难熔高熵u-v-ta-ti系合金配比称取所需合金原料；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。确保所有熔炼后试样的表面保持光亮，即在熔炼制备的过程中合金没有发生明显的氧化。
19.有益效果：本发明提出的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的结构功能一体化高熵合金，由于u元素的加入，合金的强度与传统bcc结构多主元合金vtati相比，高温下的性能有较大提升；此外，v、ti元素的加入能有效提升该合金在高温下的强度；nb、al元素的加入在保留较高屈服强度的前提下提升了该合金的高温抗氧化性能，使得这种高熵合金可广泛应用于核工业领域。因此，本发明提出的一种基于u-v-ta-ti体系的高熵合金，通过充分考虑u元素的特殊作用，实现了高熵合金的结构功能一体化，对于新型高熵合金高热稳定性领域的发展和应用具有重要意义。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
21.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可完全理解本发明。下面结合具体实施方式，对本发明进一步说明。
22.实施例1一种新型u-v-ta-ti系的含铀高熵合金，具体合金成分为：15at.％u，20％v，35％ta，15％ti，10％nb，5％al，其余为不可避免的杂质元素。
23.本实施例的新型含铀高熵合金的制备方法为：(1)准备原料：按新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金的配比称取所需合金原料，具体合金成分为：15at.％u，20％v，35％ta，15％ti，10％nb，5％al；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。
24.本实施例制得的新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金铸锭的力学性能测试表明：压缩屈服强度为720mpa，延展率为20％，表现出了较强的延展性。
25.实施例2一种新型u-v-ta-ti系的含铀高熵合金，具体合金成分为：60at.％u，10％v，10％ta，19.89％ti，0.1％nb，0.01％al，其余为不可避免的杂质元素。
26.本实施例的新型含铀高熵合金的制备方法为：(1)准备原料：按新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金的配比称取所需合金原料，具体合金成分为：60at.％u，10％v，10％ta，19.89％ti，0.1％nb，0.01％al；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。
27.本实施例制得的新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金铸锭的力学性能测试表明：压缩屈服强度为1200mpa，延展率为5％，表现出了超高的强度特性。
28.实施例3一种新型u-v-ta-ti系的含铀高熵合金，具体合金成分为：30at.％u，20％v，20％ta，15％ti，10％nb，5％al，其余为不可避免的杂质元素。
29.本实施例的新型含铀高熵合金的制备方法为：(1)准备原料：按新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金的配比称取所需合金原料，具体合金成分为：30at.％u，20％v，20％ta，15％ti，10％nb，5％al；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、
熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。
30.本实施例制得的新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金铸锭的力学性能测试表明：压缩屈服强度为1150mpa，延展率为12％，表现出了良好的强塑兼备特性。
31.实施例4一种新型u-v-ta-ti系的含铀高熵合金，具体合金成分为：15at.％u，10％v，10％ta，50％ti，5％nb，10％al，其余为不可避免的杂质元素。
32.本实施例的新型含铀高熵合金的制备方法为：(1)准备原料：按新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金的配比称取所需合金原料，具体合金成分为：15at.％u，10％v，10％ta，50％ti，5％nb，10％al；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。
33.本实施例制得的新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金铸锭的力学性能测试表明：压缩屈服强度为860mpa，延展率为17％，表现出了良好的强塑兼备特性。
34.实施例5一种新型u-v-ta-ti系的含铀高熵合金，具体合金成分为：30at.％u，35％v，15％ta，15％ti，3％nb，2％al，其余为不可避免的杂质元素。
35.本实施例的新型含铀高熵合金的制备方法为：(1)准备原料：按新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金的配比称取所需合金原料，具体合金成分为：30at.％u，35％v，15％ta，15％ti，3％nb，2％al；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转。为避免熔炼时间、熔炼电流差异等引起对试样组织结构及性能可能产生一定的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流。
36.本实施例制得的新型含铀高熵u-v-ta-ti-nb-al合金铸锭的力学性能测试表明：压缩屈服强度为1080mpa，延展率为15％，表现出了良好的强塑兼备特性。
37.本发明提供的一种新型含铀高熵u-v-ta-ti系合金及其制备方法，其相对于现有的材料，具备以下优越性：1.由于u元素的加入，该高熵合金相较于其它多主元bcc结构的合金，室温下的屈服强度有较大提升，譬如，u含量为15at.％的u15-v20-ta35-ti15-nb10-al5合金的压缩屈服强度～720mpa，提升u含量至30at.％后u30-v20-ta20-ti15-nb10-al5合金的拉伸屈服强度提升至～1150mpa；2.ta元素和v元素的加入，较大程度上保证塑性的同时提高了合金的高温强度，使得u-v-ta-ti系高熵合金在高温辐照核反应堆的条件下具有良好的应用前景。
38.3.nb元素和ti元素的加入，提高了u-v-ta-ti系高熵合金的力学性能，表现出更高的强度和水平，使其应用于诸多核领域场景。
39.4.由于高含量u元素的加入，新型的u-v-ta-ti系高熵合金为高熵合金高热稳定性
领域提供了高强韧兼备、具有良好抗辐照特性的最佳候选材料，实现了结构功能一体化特性。

技术特征：
1.一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15～60％；钒：10～35％；钽：10～35％；钛：15～50％；铌：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15％；钒：20％；钽：35％；钛：15％；铌：10％，铝：5％，余量为不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15～60％；钒：10～35％；钽：10～20％；钛：15～50％；铌：0.1～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质。4.根据权利要求3所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：60％；钒：10％；钽：10％；钛：19.89％；铌：0.1％，铝：0.01％，余量为不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，铀：15～30％；钒：10～35％；钽：10～20％；钛：15～50％；铌：3～10％；铝：2～10％，余量为不可避免的杂质。6.根据权利要求5所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：30％；钒：20％；钽：20％；钛：15％；铌：10％，铝：5％，余量为不可避免的杂质。7.根据权利要求1所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15～30％；钒：10～35％；钽：10～15％；钛：15～50％；铌：3～5％；铝：2～10％，余量为不可避免的杂质。8.根据权利要求7所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：15％；钒：10％；钽：10％；钛：50％；铌：5％，铝：10％，余量为不可避免的杂质。9.根据权利要求7所述的一种含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金，其特征在于，其组分按原子百分比为：铀：30％；钒：35％；钽：15％；钛：15％；铌：3％，铝：2％，余量为不可避免的杂质。10.权利要求1-9中任意一项所述的含铀元素基于u-v-ta-ti体系高热稳定性的高熵合金的制备方法，具体包括如下步骤：(1)准备原料：按u-v-ta-ti-nb-al高熵合金配比称取所需合金原料；(2)电弧熔炼：在保护气体保护下，将u、v、ta、ti、nb、al粉末迅速加热熔化；为获得成分均匀的合金铸锭，所有试样反复熔炼五遍，每遍熔炼后均将试样翻转；为避免熔炼时间、熔炼电流差异引起对试样组织结构及性能产生的影响，因此每个试样在每一遍熔炼时均待所有合金元素完全熔化为液态后，保持熔炼1min后直接关闭电流；确保所有熔炼后试样的表面保持光亮，即在熔炼制备的过程中合金没有发生明显的氧化。

技术总结
本发明公布了含铀元素基于U-V-Ta-Ti系高热稳定性的高熵合金，属于高熵合金材料领域，U-V-Ta-Ti系合金组分按原子百分比为：铀：15～60％；钒：10～35％；钽：10～35％；钛：15～50％；铌：0.01～10％；铝：0.01～10％，余量为不可避免的杂质；针对目前在高温下不能保持足够的强度的高熵合金NiCoFeCr以及高温下易相变的NbTiVZr、AlTiVNb等合金，同时其他研究对于含U高熵合金的研究未给予充分的重视，本发明提出基于U-V-Ta-Ti系的具有高热稳定性的高熵合金，并充分考虑U元素的特殊作用，从而实现高熵合金的结构功能一体化。合金的结构功能一体化。


技术研发人员：潘虎成 赵光 时洁 吴璐 滕常青 张伟 伍晓勇
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/12