五种钨系高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钨系高熵合金及其制备方法，属于高熵合金和钨合金材料领域，尤其是热核聚变堆中面向等离子体的第一壁材料领域，目的在于解决现有含钨高熵合金在常温下的塑性较差，且几乎都含有高中子活化系数元素如Nb、Mo，这极不利于未来在国际热核聚变堆中的应用的问题。该钨系高熵合金为W‑V‑Ti、W‑V‑Ta、W‑Ti‑Ta、W‑Ti‑V‑Ta、W‑Ti‑V‑Ta‑Re系合金中的一种或多种。测试表明，本申请的五个钨高熵合金体系，其典型合金都形成了单一的体心立方结构，部分合金具备优异的抗压缩性能。同时，本申请有效避免了现有含钨高熵合金几乎都含有高中子活化系数元素的问题，其中包含的元素具有较低的中子活化系数，有利于未来应用于国际热核聚变堆中，具有较高的应用价值。

Five kinds of tungsten high entropy alloys and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
五种钨系高熵合金及其制备方法
本专利技术涉及高熵合金和钨合金材料领域，尤其是热核聚变堆中面向等离子体的第一壁材料领域，具体为钨系高熵合金及其制备方法。更具体地，本申请提供的是五种新型钨系高熵合金及其制备方法，其有望用作热核聚变堆中面向等离子体的第一壁材料，具有较高的应用价值。
技术介绍
纯钨具有优异的性能特点，如高熔点、低蒸汽压、低热膨胀率、强的耐离子冲刷能力、不与氢发生化学反应、低的氢滞留等，因而被视为最有希望的国际热核聚变堆中面向等离子体的第一壁材料。然而，这种材料存在一定缺点；1）高热负荷下，纯钨有可能发生再结晶脆化，甚至融化；2）低的韧脆转变温度。基于钨的特性，使得钨合金在常温下呈脆性，导致容易发生开裂现象。高熵合金作为近年来发展的一类新型合金，它突破了传统合金单主元设计思路，在相结构稳定、强韧性、耐蚀性和抗辐照等方面具有传统合金无可比拟的性能优势。2004年，Yeh等和cantor等分别在AdvanceEngineeringMaterials和MaterialsScienceEngineeringA期刊上提出了高熵合金的概念。随后，以Cr、Co、Ni、Fe、Mn、V、Al、W、Nb、Ta等元素为基础的三元至十元高熵合金陆续被提出。这些合金呈现体心立方、面心立方和密排六角固溶体结构，在高温和高压条件下具有较高的结构稳定性。其中，不少合金表现出了良好的耐蚀、抗辐照和综合力学性能，引起了研究者的广泛关注。目前，含钨高熵合金体系及其研究工作公开报道较少。最早由Senkov等开创了W-Mo-Nb-Ta和W-Mo-Nb-Ta-V两个高熵合金体系，分别于2010年与2011年在《Intermetallics》期刊18卷9期和19卷5期报道了相关研究工作。后来，其他研究人员继续开发并通过论文形式报道了其它一些含钨高熵合金体系，包括W-Mo-Nb-Ta-Ti、W-Ni-Co、W-Co-Cr-Fe-Ni、W-Co-Mo-Ni-V、W-Ti-Al-Mo-Si、W-Mo-Nb-Zr-V、W-Ti-Co-Nb-Mo-Si-Fe-Cr、W-Cr-Mo-Nb-Ti-C、W-Mo-Nb-Cr-Ti。此外，近两年国内学者针对W20~22.5Ta20~22.5V20~22.5Cr20~22.5Ti10~20、W15~40Mo5~25Fe20~40Ni20~40、W20Mo20Ta20Ti20Zr20等含W高熵合金及体系还申请了国家专利技术专利，专利号分别为CN201811019264.6、CN201811375433.X和CN201910161635.2。这些体系的含钨高熵合金主要是以体心立方结构为主，具有较高的强度，但其常温下的塑性较差，且几乎都含有高中子活化系数元素如Nb、Mo，这极不利于未来在国际热核聚变堆中的应用。为了制备这些含钨高熵合金，研究人员通常单一采用粉末烧结、真空电弧熔炼或磁悬浮熔炼的方法，其中，烧结方法包括放电等离子烧结和热压烧结两种。这些方法有各自的优势，但普适性不足。为此，迫切需要新的钨系高熵合金材料与新的钨系高熵合金制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
在现有技术的基础上，申请团队基于已有的高熵合金设计理论，开始了钨系高熵合金材料的探索研究，选取了Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Zn、Ga、Y、Zr、Hf、Ta、Re等十三种中子活化系数较低的元素作为可能合金化组元，成功发现了W-V-Ti、W-V-Ta、W-Ti-Ta、W-Ti-V-Ta与W-Ti-V-Ta-Re五个三元至五元高熵合金体系，并开发出了粉体预烧结加电弧熔炼的组合工艺，以用于高熵合金样品的制备。本专利技术的专利技术目的在于：针对现有含钨高熵合金在常温下的塑性较差，且几乎都含有高中子活化系数元素如Nb、Mo，这极不利于未来在国际热核聚变堆中的应用的问题，提供一种钨系高熵合金及其制备方法。更具体地，本申请的专利技术目的在于：（1）开发出含W元素的高熵合金体系；（2）开发出含W元素的等原子比例或不等比例的高熵合金；（3）开发出含U元素的体心立方结构高熵合金；（4）开发出高压缩强度和压缩率的W系高熵合金。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：钨系高熵合金，该高熵合金为W-V-Ti、W-V-Ta、W-Ti-Ta、W-Ti-V-Ta、W-Ti-V-Ta-Re系合金中的一种或多种。等原子比例的WVTi、WVTa、WTiTa、WTiVTa与WTiVTaRe高熵合金能形成体心立方相。非等原子比例的高熵合金W16Ti20Ta20V44形成了体心立方相，晶格参数为0.3150nm，熔点高于1400℃，抗压强度超过2600MPa，压缩应变超过30%。前述钨系高熵合金的制备方法，包括如下步骤：（1）粉体预烧结按合金配比称取粉末原料，并在惰性气氛中进行球磨干混，得到球磨混料；将球磨混料压制成坯，再在1470~1500℃的真空炉中进行烧结，得合金烧结样品；（2）合金熔炼将合金烧结样品切割成小块，并放入电弧熔炼炉的坩埚内；然后，对电弧熔炼炉的腔室抽真空至低于9×10-3Pa，再向电弧熔炼炉的腔室内充入氩气，并进行氩弧熔炼；熔炼结束后，冷却至室温，得初坯；将初坯置于坩埚内，重复前述熔炼步骤至少2次，即得钨系高熵合金。所述步骤1中，按合金配比称取粉末原料，并向滚筒中充入惰性气体，再将称取的粉末原料置于充入惰性气体的滚筒中进行球磨干混，滚筒转速为20~30转/min，混合时间为8~50h。所述步骤1中，将球磨混料压制成坯，压制压力为160~300MPa，压制时间为10~800min。所述步骤1中，将球磨混料压制成坯，再在1470~1500℃的真空炉中进行烧结，烧结时间为40~300min，得合金烧结样品。所述步骤1中，惰性气体为纯度99.999%的高纯氩气。所述步骤2中，对电弧熔炼炉的腔室抽真空至1×10-5~9×10-3Pa，再向电弧熔炼炉的腔室内充入0.6~0.8个大气压、纯度为99.999%的高纯氩气，进行氩弧熔炼。所述步骤2中，氩弧熔炼的电流为300~600A，熔炼时间1~3min，且熔炼坩埚为铜坩埚，熔炼过程中需要通冷却水进行冷却。所述步骤2中，将初坯翻转后，重新置于坩埚内，重复前述熔炼步骤2~10次，即得钨系高熵合金。为了将钨系高熵合金用作热核聚变堆中面向等离子体的第一壁候选材料，本申请提供五种钨系高熵合金及其制备方法。本申请的专利技术思路如下：根据国内外已有的研究数据与结果，专利技术人梳理归纳出可能影响高熵合金固溶结构形成能力的22个影响因子，并对影响因子的重要性进行了分析。分析结果表明，原子尺寸半径、结合能、价电子三个因素对高熵合金形成能力的影响十分突出。其中，考虑到如下因素：（1）W、V、Ti、Ta、Re的原子半径分别为1.41、1.35、1.47、1.47和1.37，几种元素间的原子半径比较接近，容易形成固溶体相；（2）WVTi、WVTa、WTiTa、WTiVTa与WTiVTaRe的结合能分别为-6.3533、-7.4367、-7.283本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钨系高熵合金，其特征在于，该高熵合金为W-V-Ti、W-V-Ta、W-Ti-Ta、W-Ti-V-Ta、W-Ti-V-Ta-Re系合金中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.钨系高熵合金，其特征在于，该高熵合金为W-V-Ti、W-V-Ta、W-Ti-Ta、W-Ti-V-Ta、W-Ti-V-Ta-Re系合金中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的钨系高熵合金，其特征在于，等原子比例的WVTi、WVTa、WTiTa、WTiVTa与WTiVTaRe高熵合金能形成体心立方相。


3.根据权利要求1所述的钨系高熵合金，其特征在于，非等原子比例的高熵合金W16Ti20Ta20V44形成了体心立方相，晶格参数为0.3150nm，熔点高于1400℃，抗压强度超过2600MPa，压缩应变超过30%。


4.前述权利要求1~3任一项所述钨系高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）粉体预烧结
按合金配比称取粉末原料，并在惰性气氛中进行球磨干混，得到球磨混料；将球磨混料压制成坯，再在1470~1500℃的真空炉中进行烧结，得合金烧结样品；
（2）合金熔炼
将合金烧结样品切割成小块，并放入电弧熔炼炉的坩埚内；然后，对电弧熔炼炉的腔室抽真空至低于9×10-3Pa，再向电弧熔炼炉的腔室内充入氩气，并进行氩弧熔炼；熔炼结束后，冷却至室温，得初坯；将初坯置于坩埚内，重复前述熔炼步骤至少2次，即得钨系高熵合金。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄河，黄火根，张佳佳，俞鑫山，石洁，法涛，徐海燕，蒙大桥，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51