[发明专利]一种降低Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金中杂质含量的方法

说明书

本发明涉及一种降低Ti‑V‑Ta‑Nb系难熔高熵合金中杂质含量的方法，属于高熵合金制备技术领域。该方法是在Ti‑V‑Ta‑Nb系难熔高熵合金板的两个表面固定纯Zr板或者纯Zr箔，然后在惰性气体保护气氛下进行高温处理，利用Zr的吸收作用使Ti‑V‑Ta‑Nb系难熔高熵合金板中的杂质原子扩散Zr板或Zr箔中并与Zr反应形成Zr‑(CNO)相，从而降低Ti‑V‑Ta‑Nb系难熔高熵合金板中游离态杂质元素的含量，由于Zr‑(CNO)相并不是作为第二相分布在难熔高熵合金板中，而且Zr在难熔高熵合金板表面的扩散层厚度也很小，不会对难熔高熵合金板的组织与力学性能产生不利影响。

技术领域

本发明涉及一种降低Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金中杂质含量的方法，属于高熵合金制备技术领域。

背景技术

难熔高熵合金凭借其主元数量多、主元熔点高与晶格畸变大等成分、结构特点从而在宽温域下表现出优异的力学性能，因此得到研究人员的广泛关注。前期研究结果表明，难熔高熵合金经离子辐照后表现出较弱的辐照硬化趋势，在先进核反应堆用高温结构材料领域具有潜在的应用价值。其中，Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金具有优异的室/高温力学性能，且经高温氦离子辐照后表现出与核反应堆候选结构材料V-4Cr-4Ti(质量百分比，wt％)合金相似的抗氦辐照能力，在核反应堆领域应用潜力巨大。

Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金组成元素的化学性质活泼，且Ti元素对合金中残存的C、N、O等杂质原子的亲和力明显高于其他组成元素，因此在真空或惰性气氛保护下进行700～1000℃长时间热处理，杂质原子会快速扩散到Ti原子附近，从而形成Ti-(CNO)相。这些Ti-(CNO)相本身是脆性的，且易于在晶界处分布，从而导致合金的塑性大幅度下降，严重限制了其在高温环境下的工程应用。目前已知的可降低难熔合金杂质含量的方法主要为真空熔炼和稀土元素添加，然而两者都存在一定的不足：真空熔炼虽然能够使合金熔体中的杂质原子以气体形式释放出来，但在合金熔体凝固过程中仍不可避免地吸收熔炼炉炉膛内残存的杂质原子，使其在高温真空环境下服役时仍会面临由富Ti相析出所引起的断裂失效问题；稀土元素的添加能够改变杂质原子的存在形式，即与杂质原子结合形成含稀土第二相并存在于合金内部，虽然能够降低基体中游离态杂质原子的含量，但聚集于晶界处的粗大含稀土第二相会导致合金在后续加工制备过程中出现板材边缘开裂现象。

发明内容

针对目前采用添加稀土元素或者真空熔炼降低难熔合金杂质含量的方法存在的不足，本发明提供一种降低Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金中杂质含量的方法，该方法是在Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板的两个表面分别设置纯Zr板或纯Zr箔，利用Zr元素与C、N、O等杂质元素的高亲和力，能够在高温热处理过程中使Zr吸收合金板中的杂质元素在纯Zr板或纯Zr箔上形成Zr-(CNO)相，从而达到降低合金板中杂质含量的效果，同时Zr元素在合金板表面的扩层厚度很小，不会对合金板的组织与力学性能产生不利影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种降低Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金中杂质含量的方法，具体包括以下步骤：

先将Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板的表面打磨平整并清洗干净，然后将纯Zr板或者纯Zr箔分别固定在Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板的两个表面，再在惰性气体保护气氛下进行高温热处理，在高温热处理的过程中利用Zr的吸收作用使Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板中的杂质原子扩散Zr板或Zr箔中并与Zr反应形成Zr-(CNO)相，从而降低Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板中游离态杂质元素的含量，得到表面含有Zr包覆层的均匀态Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板；

或者，除去含有Zr包覆层的均匀态Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板表面的Zr包覆层，则得到均匀态Ti-V-Ta-Nb系难熔高熵合金板。