一种面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金及其制备方法，其中面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金的成分组元为W、Ta、V、Cr、Ti，各组分按原子百分比构成为：W 20‑22.5％，Ta 20‑22.5％，V 20‑22.5％，Cr 20‑22.5％，Ti 10‑20％。本发明通过悬浮熔炼制备的W‑Ta‑V‑Cr‑Ti单相难熔高熵合金使材料的组织均匀，硬度、强度等综合性能能得到提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种难熔高熵合金及其制备方法，具体地说是一种面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术

受控热核聚变能是人类社会未来的理想能源，被认为是可以有效解决人类未来能源需求的主要出路之一。在核聚变装置内，面向等离子体的第一壁材料处于极端的服役环境，例如面临高的热负荷，等离子冲刷，中子辐照等。因此研究开发核领域高抗辐照损伤的新型结构材料，对于提升反应堆安全性和稳定性具有重要意义。高熵合金具有超高强度、高抗氧化性、对氘和氚的吸附量极小、抗辐照肿胀等特点。在辐照环境中，传统材料内部产生大量的辐照缺陷导致性能急剧下降。高能粒子轰击下，高熵合金局部晶格熔化转变为玻璃相，快速再结晶后形成无序固溶体。晶格熔融再结晶过程可以去除辐照引起的缺陷，因此高熵合金被认为是最有前景的面相等离子体新型结构材料。近些年高熵合金的元素体系集中于后过渡金属元素，例如Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Co等。

由于缺乏有效的设计指导，新型难熔高熵合金的设计与验证较缓慢。高熵合金各组元的元素种类、比例的选择与制备工艺直接影响着组织结构、物化性能和热力学性能。目前难熔高熵合金的成分研究较为广泛的是熔点约2000℃或更高的难熔金属元素，例如，Ta，W，Nb，Mo和V。为了满足聚变堆实际应用环境，其中高中子诱导嬗变活化能的Nb、Mo元素不能选择作为高熵合金的组元。由于难熔高熵合金的各组元熔点较高，现在较为普遍的制备工艺是多次真空电弧熔炼。然而电弧熔炼制备的高熵合金存在成分不均，低熔点元素烧蚀等问题影响着材料的组织与性能。

发明内容

本发明旨在提供一种面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金及其制备方法，通过悬浮熔炼制备的W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金使材料的组织均匀，硬度、强度等综合性能能得到提高。

本发明面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金，成分组元为W、Ta、V、Cr、Ti，其中各组分按原子百分比构成为：W 20-22.5％，Ta 20-22.5％，V 20-22.5％，Cr 20-22.5％，Ti10-20％。

本发明面向等离子体含钨的单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：混粉

将熔点较低的两种Ti、V金属粉按照一定比例置于200转/分钟的混粉机中搅拌两小时混合均匀，得到Ti-V复合粉末；

步骤2：压坯

将Ti-V复合粉末装入模具压制成型，在压强15MPa下压制3分钟得到直径8毫米、高度10毫米的圆柱压坯；

步骤3：熔炼

将高熔点W、Ta粉末与步骤2获得的Ti-V压坯放入悬浮熔炼炉腔内，室温下对烧结炉抽真空至10^-3PA，以100℃每分钟的速度升高温度至1300℃，启动感应悬浮装置，以20℃每分钟的速度升温至3100℃保温10分钟，再以50℃每分钟降温至2500℃，通过炉腔放料夹加入Cr粉，保温10分钟后，以50℃每分钟降温至室温，反复熔炼3次即得到单相W-Ta-V-Cr-Ti难熔高熵合金。

原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，Ta颗粒尺寸为25微米，V颗粒尺寸为25微米，Cr颗粒尺寸为25微米，Ti颗粒尺寸为2微米。(W熔点：3410℃；V熔点：1890℃、沸点：3000℃；Ta熔点：2996℃、沸点：5425℃、Ti:熔点：1668℃、沸点：3260℃；Cr:熔点：1857℃、沸点：2672℃)

本发明的有益效果体现在：

W、Ta、V、Cr、Ti元素都是高熔点和耐辐照元素，并且在高温下都具有相同的体心立方晶格结构，容易形成单相的固溶体并且具有更高的化学稳定性。降温至沸点以下后加入Cr粉，减少了超高温熔炼过程中低熔点元素的烧蚀。熔炼使得各元素合金化程度较高形成了单相的体心立方固溶体，相对比纯钨，明显提高了硬度和强度，硬度值为720-910Hv，室温强度为1628-1860MPa，并且在高温下仍保持较高强度。此外，悬浮熔炼作为一种新型熔炼方法，悬浮能力强，驼峰的高度/直径比＝2.0～3.0，使得熔炼样品接近于完全悬浮状态；熔炼过程中没有凝壳，浇铸后只剩下沿坩埚壁冷凝的厚度小于0.5mm的薄壳；熔炼温度高，最高熔炼温度超过3200℃，能熔化难熔金属；规格范围大：包括最大熔炼量从20克到数十公斤的各种规格。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

附图说明

图1是悬浮熔炼制备W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金的XRD图片。表明本发明制备合金组织是体心立方单相。

图2悬浮熔炼制备W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金的SEM照片。

图3是W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金在室温、400℃、600℃、800℃的压缩曲线。应变率为10^-3。材料的强度得到显著提高，室温下压缩强度为1628MPa，断裂延伸率为8.5％。400℃下压缩强度为1370MPa，断裂延伸率为12.2％。600℃下压缩强度为1215MPa，断裂延伸率为14.2％。800℃下压缩强度为1055MPa，断裂延伸率为14.5％。并且随着温度的升高，材料仍具有较高的强度并未显著降低。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金，成分组元为W、Ta、V、Cr、Ti，其中各组分按原子积百分比构成为：W 20％，Ta 20％，V 20％，Cr 20％，Ti 20％。

原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，Ta颗粒尺寸为25微米，V颗粒尺寸为25微米，Cr颗粒尺寸为25微米，Ti颗粒尺寸为2微米。

本实施例中W_0.2Ta_0.2V_0.2Cr_0.2Ti_0.2单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

1、混粉：将92g的Ti粉和100g的V金属粉按照置于200转/分钟的混粉机中搅拌两小时混合均匀，得到Ti-V复合粉末；

2、压坯：将Ti-V复合粉末装入模具压制成型，压强15MPa下压制3分钟得到直径8毫米、高度10毫米的圆柱压坯；

3、熔炼：将高熔点360g的W、348g的Ta粉末与Ti-V压坯放入悬浮熔炼炉腔内，室温下对烧结炉抽真空至10^-3PA。以100℃每分钟的速度升高温度至1300℃，启动感应悬浮装置，以20℃每分钟的速度升温至3100℃保温10分钟，以50℃每分钟降温至2500℃通过炉腔放料夹加入100g的Cr粉，保温10分钟后，以50℃每分钟降温至室温，反复熔炼3次即得到单相W_0.2Ta_0.2V_0.2Cr_0.2Ti_0.2难熔高熵合金。

熔炼后的高熵合金各组元间合金化完全形成单相固溶体，从而提高了硬度及强度。硬度值为720Hv(纯钨硬度值为320HV)。材料的室温压缩强度为1628MPa，断裂延伸率为8.5％。400℃下压缩强度为1370MPa，断裂延伸率为12.2％。600℃下压缩强度为1215MPa，断裂延伸率为14.2％。800℃下压缩强度为1055MPa，断裂延伸率为14.5％。并且随着温度的升高，材料仍具有较高的强度并未显著降低。

实施例2：

本实施例中W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金，成分组元为W、Ta、V、Cr、Ti，其中各组分按原子积百分比构成为：W 21.3％，Ta 21.3％，V 21.2％，Cr 21.2％，Ti 15％。

原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，Ta颗粒尺寸为25微米，V颗粒尺寸为25微米，Cr颗粒尺寸为25微米，Ti颗粒尺寸为2微米。

本实施例中W_0.213Ta_0.213V_0.212Cr_0.212Ti_0.15单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

1、混粉：将67g的Ti粉和101g的V金属粉按照置于200转/分钟的混粉机中搅拌两小时混合均匀，得到Ti-V复合粉末；

2、压坯：将Ti-V复合粉末装入模具压制成型，压强15MPa下压制3分钟得到直径8毫米、高度10毫米的圆柱压坯；

3、熔炼：将高熔点367g的W、362g的Ta粉末与Ti-V压坯放入悬浮熔炼炉腔内，室温下对烧结炉抽真空至10^-3PA。以100℃每分钟的速度升高温度至1300℃，启动感应悬浮装置，以20℃每分钟的速度升温至3100℃保温10分钟，以50℃每分钟降温至2500℃通过炉腔放料夹加入103g的Cr粉，保温10分钟后，以50℃每分钟降温至室温，反复熔炼3次即得到W_0.213Ta_0.213V_0.212Cr_0.212Ti_0.15单相难熔高熵合金。

熔炼后的高熵合金各组元间合金化完全形成单相固溶体，从而提高了硬度及强度。硬度值为864Hv(纯钨硬度值为320HV)。材料的室温压缩强度为1732MPa，断裂延伸率为8.7％。400℃下压缩强度为1560MPa，断裂延伸率为13.1％。600℃下压缩强度为1321MPa，断裂延伸率为14.6％。800℃下压缩强度为1128MPa，断裂延伸率为15.1％。并且随着温度的升高，材料仍具有较高的强度并未显著降低。

实施例3：

本实施例中W-Ta-V-Cr-Ti单相难熔高熵合金，成分组元为W、Ta、V、Cr、Ti，其中各组分按原子积百分比构成为：W 22.5％，Ta 22.5％，V 22.5％，Cr 22.5％，Ti 10％。

原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，Ta颗粒尺寸为25微米，V颗粒尺寸为25微米，Cr颗粒尺寸为25微米，Ti颗粒尺寸为2微米。

本实施例中W_0.225Ta_0.225V_0.225Cr_0.225Ti_0.1单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

1、混粉：将43.5g的Ti粉和104g的V金属粉按照置于200转/分钟的混粉机中搅拌两小时混合均匀，得到Ti-V复合粉末；

2、压坯：将Ti-V复合粉末装入模具压制成型，压强15MPa下压制3分钟得到直径8毫米、高度10毫米的圆柱压坯；

3、熔炼：将高熔点376g的W、370g的Ta粉末与Ti-V压坯放入悬浮熔炼炉腔内，室温下对烧结炉抽真空至10^-3PA。以100℃每分钟的速度升高温度至1300℃，启动感应悬浮装置，以20℃每分钟的速度升温至3100℃保温10分钟，以50℃每分钟降温至2500℃通过炉腔放料夹加入106g的Cr粉，保温10分钟后，以50℃每分钟降温至室温，反复熔炼3次即得到W_0.225Ta_0.225V_0.225Cr_0.225Ti_0.1单相难熔高熵合金。

熔炼后的高熵合金各组元间合金化完全形成单相固溶体，从而提高了硬度及强度。硬度值为910Hv(纯钨硬度值为320HV)。材料的室温压缩强度为1860MPa，断裂延伸率为9.1％。400℃下压缩强度为1650MPa，断裂延伸率为13.7％。600℃下压缩强度为1410MPa，断裂延伸率为14.7％。800℃下压缩强度为1206MPa，断裂延伸率为15.5％。并且随着温度的升高，材料仍具有较高的强度并未显著降低。