阅读说明：本技术 一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法 (Irradiation-resistant impact-resistant FeCoCrNiMn high-entropy alloy and preparation method thereof ) 是由 张洋 张中武 蒋文清 崔烨 孙利昕 陈丹 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于核材料及其制备技术领域,具体涉及一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法。本发明的目的在于提供一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法,包含以下步骤,首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置于铜坩埚内,抽真空后冲氩气,开始熔炼；将熔炼获得的铸锭均匀化处理后冷轧；再进行退火处理、离子辐照处理。本发明与现有高熵合金相比,通过高熵低焓新理念设计了一种新的耐辐照和抗冲击高熵合金,使合金在超过50dpa辐照下成分均匀且无沉淀相析出,在1200s<Sup>-1</Sup>高应变率下无绝热剪切带形成。(The invention belongs to the technical field of nuclear materials and preparation thereof, and particularly relates to an irradiation-resistant impact-resistant FeCoCrNiMn high-entropy alloy and a preparation method thereof. The invention aims to provide an irradiation-resistant impact-resistant FeCoCrNiMn high-entropy alloy and a preparation method thereof, which comprises the following steps of firstly preparing raw materials according to components and mole percentage; placing the raw materials in a copper crucible, vacuumizing, filling argon, and starting to smelt; homogenizing the ingot obtained by smelting, and then cold rolling; then annealing treatment and ion irradiation treatment are carried out. Compared with the existing high-entropy alloy, the invention designs a new irradiation-resistant and impact-resistant high-entropy alloy by a new concept of high entropy and low enthalpy, so that the alloy has uniform components under irradiation of more than 50dpa and is uniform in componentsNo precipitate phase is separated out, at 1200s ‑1 No adiabatic shear band formation at high strain rates.)

一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于核材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法。

背景技术

传统合金的发展经验认为，合金元素多易形成脆性金属间化合物而恶化合金性能。2004 年中国台湾清华大学叶均蔚教授提出高熵合金的概念，将5种或5种以上金属元素按等摩尔比或近等摩尔比混合，可获得单相固溶体结构，而不形成金属间化合物，同时具有高强度、耐高温、耐腐蚀和耐辐照等性能。

传统核结构材料辐照后结构稳定性和力学性能明显下降，存在较大的安全隐患。高熵合金(HEAs)与传统核结构材料相比也显示出更为优越的机械、化学和磁性能，包括高屈服强度、高断裂韧性、高耐磨性、强耐腐蚀性和优异的高温性能。高熵合金同时具有热力学上的高熵效应，动力学上的缓慢扩散效应，结构上的晶格畸变效应，和性能上的鸡尾酒效应。这些特点使高熵合金具有独特的微观组织结构(如迷宫式结构)和独特的性能(如高强度、高的相稳定性、高的扩散阻挡性能等)，从而使得高熵合金有望替代现有压力容器钢等材料成为新一代核反应堆的潜在应用材料。尽管高熵合金已被广泛的研究，对于其耐辐照性能的研究却很少，目前的理论认为高熵合金多主元原子尺寸差引起了严重的晶格畸变和高的原子级应力，能够有效减少缺陷的形成，在辐照下不会发生晶粒粗化并具有自修复能力，相比于其它合金而言，高熵合金具有杰出的结构稳定性和更低的辐射诱导体积肿胀。本发明在成分设计时采用高熵低焓设计思路，在保证高熵的前提下进一步降低混合焓提高系统稳定性，以提高耐辐照和抗冲击性能。

专利201910085001.3公开了一种耐辐照TiZrHfVMoTaxNby高熵合金，但其成分与本项目完全不同。专利201711014188.5公开了一种含氮FeCoCrNiMn高熵合金，但热机械处理工艺及掺杂元素和本发明不同；专利201811324014.3同样公开了一种FeCoCrNiMn高熵合金，但其保护成分和本发明存在明显不同。

发明内容

本发明的目的在于制备一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金。本发明的目的还在于提供一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金的制备方法。

为实现本发明的目的，采用的技术方案为：

一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金，其成分和摩尔百分比为：Fe5.0-35.0％、Co5.0-35.0％、Ni5.0-35.0％、Cr0-30.0％、Mn0-20.0％。

一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金的制备方法，包含以下步骤：

步骤一：按照一种一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金的成分及百分含量配置原料，其成分和摩尔百分比为：Fe5.0-35.0％、Co5.0-35.0％、Ni5.0-35.0％、Cr0-30.0％、Mn0-20.0％；

步骤二：将Fe、Co、Cr、Ni、Mn原料置于铜坩埚内，抽真空，抽真空至1×10^-2MPa以上充入氩气至0.01-0.1Mpa；

步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料在100-200A电流下熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流为400-600A，反复熔炼4-10次，最后吸铸、水冷铜坩埚；

步骤四：将获得的铸锭进行均匀化处理，然后冷轧，退火处理；

步骤五：离子辐照。

所述的均匀化处理的温度为900-1200℃，均匀化处理的时间为0.5-20h。

所述冷轧的变形量为40％-90％，退火处理的温度800-1100℃，退火时间为0.5-5h。

所述离子辐照注入的离子是能量为3-9MeV的Au²⁺，注量为1.0×10¹⁴-1.0×10¹⁷ions/cm²，高速冲击应变率为500-1500s^-1。

本发明的有益效果为：

本发明与现有高熵合金相比，通过高熵低焓新理念设计了一种新的耐辐照和抗冲击高熵合金，使合金在超过50dpa辐照下成分均匀且无沉淀相析出，在1200s^-1高应变率下无绝热剪切带形成。

附图说明

图1为制备的FeCoCrNiMn高熵合金显微组织；

图2为SRIM计算的Au2⁺离子辐照FeCoCrNiMn高熵合金；

图3为Au²⁺离子辐照FeCoCrNiMn高熵合金辐照前后纳米压痕硬度和杨氏模量对比；

图4为制备的FeCoCrNiMn高熵合金辐照后三维原子探针结果；

图5为制备的FeCoCrNiMn高熵合金帽状试样高速冲击后受力剪切区域显微结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

本发明属于核材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法。本发明的目的在于提供一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法。

为实现本发明的目的，采用的技术方案为：

一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金，其成分和摩尔百分比为：Fe5.0-35.0％、Co5.0-35.0％、Ni5.0-35.0％、Cr0-30.0％、Mn0-20.0％。

一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金的制备方法，包含以下步骤：

步骤一：按照一种一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金的成分及百分含量配置原料，其成分和摩尔百分比为：Fe5.0-35.0％、Co5.0-35.0％、Ni5.0-35.0％、Cr0-30.0％、Mn0-20.0％；

步骤二：将Fe、Co、Cr、Ni、Mn原料置于铜坩埚内，抽真空，抽真空至1×10^-2MPa以上充入氩气至0.01-0.1MPa；

步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料在100-200A电流下熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流为400-600A，反复熔炼4-10次，最后吸铸、水冷铜坩埚；

步骤四：将获得的铸锭进行均匀化处理，然后冷轧，退火处理；

步骤五：离子辐照。

所述的均匀化处理的温度为900-1200℃，均匀化处理的时间为0.5-20h。

所述冷轧的变形量为40％-90％，退火处理的温度800-1100℃，退火时间为0.5-5h。

所述离子辐照注入的离子是能量为3-9MeV的Au²⁺，注量为1.0×10¹⁴-1.0×10¹⁷ions/cm²，高速冲击应变率为500-1500s^-1。

进一步详细描述如下：

本实施例中的FeCoCrNiMn高熵合金化学成分，按摩尔百分比为：Fe25.0％、Co25.0％、 Cr20.0％、Ni20.0％、Mn10.0％。根据高熵低焓新合金设计理念，在成分设计时充分考虑两个元素间的混合焓，在保证高熵的前提下进一步降低混合焓以降低自由能，提高系统稳定性。将 Fe、Co、Cr、Ni、Mn原料经称量后置于高真空电弧熔炼炉铜坩埚内，抽真空，待真空度达到 10^-4Pa后充入氩气至0.05MPa。熔炼引弧电流为400A，首次熔料维持400A电流熔炼5-6分，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼5-6 次，最后吸铸得到铸态合金棒。

在1200℃均匀化1h，冷轧75％变形量，随后在1000℃退火1h获得完全再结晶显微结构用于离子辐照。经过1000℃退火处理的高熵合金晶粒，出现较多退火孪晶，如图1所示。采用SRIM计算了6MeV的Au²⁺离子辐照FeCoCrNiMn高熵合金dpa和Au离子分布，辐照深度约800nm，峰值损伤近70dpa，如图2所示。注入的离子是能量为6MeV的Au²⁺，注量为 1.0×10¹⁶ions/cm²。在350nm深度处辐照前后硬度分布为4.0GPa和4.4GPa，杨氏模量分别为217GPa和227GPa，仅出现轻微硬化现象，杨氏模量几乎无变化，如图3所示。在辐照后试样350nm深度处取样进行三维原子探针测试，发现辐照后元素分布均匀，无纳米相析出，如图4所示。

将铸态合金在1200℃均匀化1h，冷轧50％变形量，随后在1000℃退火1h，加工成φ8*8mm 的帽型试样用于高速冲击。高速冲击应变率为1200s^-1，冲击后未形成绝热剪切带，仅能观察到大量孪晶的形成，帽状试样剪切区域显微结构如图5所示。

本实施例中的FeCoCrNiMn高熵合金具有很好的辐照稳定性和抗高速冲击性能，可耐近 70dpa的高剂量离子辐照，在1200s^-1应变率高速冲击下不产生绝热剪切带。

综上所述，本发明属于核材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn 高熵合金及其制备方法。本发明的目的在于提供一种耐辐照抗冲击FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法，包含以下步骤，首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置于铜坩埚内，抽真空后冲氩气，开始熔炼；将熔炼获得的铸锭均匀化处理后冷轧；再进行退火处理、离子辐照处理。本发明与现有高熵合金相比，通过高熵低焓新理念设计了一种新的耐辐照和抗冲击高熵合金，使合金在超过50dpa辐照下成分均匀且无沉淀相析出，在1200s^-1高应变率下无绝热剪切带形成。