[发明专利]一种核用耐辐照结构材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种核用耐辐照结构材料及其制备方法。所述制备方法包括：以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的至少三种金属单质为原料，利用电弧熔炼法制备高熵合金块体，对所述高熵合金块体进行破碎、球磨得到高熵合金粉末，对所述高熵合金粉末进行等离子球化，得到球形粉末；将所述球形粉末通过超音速火焰喷涂的方法喷涂至基体材料上，在所述基体材料上制得超音速火焰喷涂涂层，得到核用耐辐照结构材料。本发明通过电弧熔炼、高能球磨和等离子球化制备高熵合金球形粉末，再通过超音速火焰喷涂方法在基体材料表面制备致密的涂层，制得具有优异耐辐照性能的核用结构材料。

技术领域

本发明涉及金属表面防护技术领域，具体而言，涉及一种核用耐辐照结构材料及其制备方法。

背景技术

目前，核能因具有清洁、经济、可靠等特点已成为世界第三大能源。由于核电站的严苛工况条件，其使用的结构材料一般要求具有良好的耐高温、耐辐照、耐腐蚀等综合性能。目前，核反应堆用结构材料主要包含锆及锆合金、钢以及镍合金等，广泛应用于核动力水冷反应堆的燃料包壳管和堆芯、反应堆本体的压力壳、堆内构件、控制棒驱动机构和一回路系统等堆内关键部位。但锆及锆合金在高温下与水反应生成氢，具有发生氢爆炸的风险，钢及镍合金具有优异的耐腐蚀性能，但耐辐照性能较差。随着对下一代核电的使用寿命、安全性和经济性要求的不断提高，对结构材料的综合性能要求越来越高。

高熵合金(HEAs)是近年来新兴的合金材料，一般将高熵合金定义为由5-13个主元组成的合金，每个主元的原子分数为5-35％。基于力学性能可以将高熵合金分为四类：仅包括3d过渡金属，含过渡金属及较大原子半径的元素如Al等，基于难熔金属，其他。高熵合金被总结出具有四大效应：热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应，动力学上的迟滞扩散效应，性能上的“鸡尾酒”效应。所谓“鸡尾酒”效应是指高熵合金中具备不同特性的元素在相互作用下将对合金整体的性能产生难以完全预测的影响。高熵合金因其独特的结构而受到广泛关注，与传统合金相比，高熵合金表现出优异的高温热稳定性、耐腐蚀性和耐辐照性，是具有很好应用前景的核反应堆用结构材料。然而，由于高熵合金具有较高的制备成本，难以使用其作为结构材料。而在钢等结构材料表面制备高熵合金涂层同样可以发挥高熵合金耐辐照的优势，同时降低材料成本。高熵合金涂层是以高熵合金理论为基础，结合表面工程技术产生并发展出来的。高熵合金涂层的制备方法有磁控溅射、热喷涂、电化学沉积等，但现有方法制备出的高熵合金涂层致密性差，且材料的耐辐照性能仍需进一步提高。

发明内容

本发明解决的问题是现有方法制得的高熵合金涂层致密性较差、耐辐照性能较低。本发明提供了一种核用耐辐照结构材料的制备方法，在基体材料表面制得高熵合金涂层，使得基体材料具有优异的耐辐照性能，且涂层晶粒细小、孔隙率低，涂层与基体材料结合紧密。

为解决上述问题，本发明提供一种核用耐辐照结构材料的制备方法，包括：

以Zr、W、Ta、Hf、V、Ti、Cr和Ce中的至少三种为原料，其中，各元素的摩尔比为Zr：W：Ta：Hf：V：Ti：Cr：Ce为0-25:0-25:0-25：0-25：0-25：0-25：0-25：0-5，利用电弧熔炼法制备高熵合金块体，对所述高熵合金块体进行破碎、球磨得到高熵合金粉末，对所述高熵合金粉末进行等离子球化，得到球形粉末；

将所述球形粉末通过超音速火焰喷涂的方法喷涂至基体材料上，在所述基体材料上制得超音速火焰喷涂涂层，得到核用耐辐照结构材料。

较佳地，所述原料中各元素的摩尔比为Zr：W：Ta：Hf：V：Ti：Cr：Ce为0-10:10-25:10-25：0-10：0-10：0-10：2-25：0-1。

较佳地，所述等离子球化的过程在等离子球化装置中进行，所述等离子球化装置的输出功率为40kW,送粉速度为50-180g/min，中央气和载气为氩气，鞘流气为氩氢混合气，其中，所述中央气的流量为15-30L/min，所述载气的流量为2-4L/min，所述鞘流气的流量为50-70L/min。