本發(fā)明涉及核燃料包殼材料技術(shù)領域，尤其涉及一種高強度fecral基合金。

背景技術(shù)：

清潔能源的迫切需求使得人們越發(fā)需要發(fā)展核能，而核能安全是繼續(xù)發(fā)展核能的重中之重。為了進一步提高核能的安全閾值，人們提出了耐事故燃料的概念，而其中最關(guān)鍵的就是發(fā)展耐事故燃料包殼替代當前使用的鋯合金包殼。作為耐事故包殼材料，除了需要有和鋯合金相似性能，如高強度、低中子吸收、耐輻照、高熱導率等，還需要較高的抗水蒸氣氧化的能力。fecral合金除了具有良好的綜合性能，還具有極其優(yōu)異的抗水蒸氣氧化能力，使其從其它候選耐事故包殼材料中脫穎而出。目前，對fecral基合金的制備工藝報道較多的為真空熔煉-鍛造-熱軋-正火-回火工藝以及球磨混粉-sps燒結(jié)(-鍛造)工藝，雖然其制備工藝已經(jīng)成熟，但制備出來的合金力學性能有待進一步提高。如發(fā)明專利cn111809119a公開了一種彌散強化fecral合金材料，其利用球磨混粉-sps燒結(jié)-鍛造工藝制備了加工性能好、組織穩(wěn)定的fecral合金，但其力學性能有待進一步提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種高強度fecral基合金，是采用“機械合金化球磨混粉-放電等離子燒結(jié)-等通道轉(zhuǎn)角擠壓”工藝制備得到的，其制備工藝簡單、成本低廉，綜合力學性能優(yōu)異。

一種高強度fecral基合金，是將fecral合金粉末和納米zrc、zrh2粉末先進行機械合金化球磨處理，再經(jīng)放電等離子燒結(jié)成型得到鑄錠，最后將鑄錠進行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理得到的。

優(yōu)選地，對鑄錠每進行1道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，均進行退火處理。

在本發(fā)明中，對擠壓后的樣品進行退火處理，以減少大擠壓變形帶來的內(nèi)應力。

優(yōu)選地，退火處理的工藝參數(shù)為：600-750℃下退火40-80min。

優(yōu)選地，等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理是采用c路徑進行擠壓；擠壓所采用的擠壓模具的相交角為90°。

上述c路徑是指每次擠壓后樣品繞擠壓方向旋轉(zhuǎn)180°再進行下一道次擠壓。

優(yōu)選地，所述fecral合金粉末的化學成分按重量百分比計，包括：cr12.5～13％、al3.6～4.0％、mo1.5～1.7％、p≤0.015％、s≤0.015％、o≤0.02％、n≤0.015％，余量為鐵和雜質(zhì)。

優(yōu)選地，所述納米zrc粉末的加入量mzrc和fecral合金粉末的重量mfecral之間的關(guān)系為：mzrc/mfecral＝0.5～1.0wt.％。

優(yōu)選地，所述納米zrh2粉末的加入量mzrh2和fecral合金粉末的重量mfecral之間的關(guān)系為：mzrh2/mfecral≤1.0wt.％。

優(yōu)選地，所述球磨處理是在惰性氣氛中干磨；球磨時間為18～22h，球料比為11～13：1，球磨轉(zhuǎn)速為250～350r/min。

優(yōu)選地，所述放電等離子燒結(jié)是在含少量氫氣的氬氣氣氛中燒結(jié)，氫氣和氬氣的體積百分比為3：97。

有益效果：本發(fā)明根據(jù)彌散強化和晶界凈化對金屬材料性能改善的作用原理，為了提高fecral的綜合性能，特別是延伸率和強度，采用納米尺寸的高硬相zrc彌散分布于fecral的晶界處和晶粒內(nèi)，通過相界和晶界的調(diào)控改善fecral的強度；同時，為了改善fecral-zrc的塑性變形能力，利用zrh2形成金屬zr和鋯化物過程中對晶界的凈化作用來提高延伸率。此外，放電等離子燒結(jié)后引入等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ecap)工藝，通過大塑性變形來進一步提高fecral-zrc-zrh2的綜合力學性能；而對擠壓后的樣品進行退火處理，以減少大擠壓變形帶來的內(nèi)應力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中原料粉體的sem及相應尺寸分布圖；其中，(a)fecral，(b)zrc，(c)zrh2；

圖2為本發(fā)明實施例中制備的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金經(jīng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理前后的力學性能對比圖；其中，(a)室溫下的極限抗拉強度，(b)延伸率。

具體實施方式

以下實施例中所采用的fecral合金粉末的化學成分為cr12.71％、al3.7％、mo1.63％、p0.01％、s0.003％、o0.019％、n0.005％，余量為鐵和雜質(zhì)；其顆粒平均尺寸約為16.5um，顆粒形貌如圖1(a)所示。

以下實施例中所采用的納米zrc粉末的顆粒平均尺寸約為20.1nm，顆粒形貌如圖1(b)所示；納米zrh2粉末的顆粒粒徑呈雙峰分布，大顆粒尺寸主要介于4～6μm，而小顆粒尺寸主要介于0.5～1μm，顆粒形貌如圖1(c)所示。

下面，通過具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

實施例

制備fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金

s1、稱取79.04gfecral合金粉末、0.8g納米zrc粉末、0.16gzrh2加入到球磨罐內(nèi)，用ar氣對球磨罐進行3道次洗氣，最終使球磨罐內(nèi)充滿ar氣并保持微正壓，然后在臥式行星球磨機內(nèi)進行干磨，球磨參數(shù)設置為球料比為12：1，轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨60min停機20min，球磨時間20h，使得納米zrh2、zrc與fecral合金粉末進行充分均勻地機械合金化，球磨后取出球磨罐中的混合粉末；機械化球磨后球狀fecral嚴重變形，zrc和zrh2顆粒嵌入fecral中或附著在fecral表面。

s2、將混合粉末倒入φ90mm的石墨模具中(具體實施時石墨模具的尺寸可根據(jù)需要自行設計)，在放電等離子體燒結(jié)設備中進行放電等離子燒結(jié)，使得fecral合金粉末和zrh2、納米zrc粉末進一步合金化，得到鑄錠；

測得s2中經(jīng)放電等離子燒結(jié)成型后的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金的硬度為296.1hv，室溫下的極限抗拉強度(uts)約為850mpa，延伸率(elongation)約為18％。

s3、將鑄錠切成φ10×60mm的圓棒，然后在等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具上按照路線c(即每次擠壓后樣品繞擠壓方向旋轉(zhuǎn)180°再進行下一道次擠壓)進行ecap擠壓處理，擠壓模具的相交角為90°，在加熱爐中將擠壓后的樣品進行700℃&1h的退火處理，以減少大擠壓變形帶來的內(nèi)應力，對鑄錠每進行1道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，均進行退火處理，重復擠壓-退火操作，對鑄錠進行2道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理。

測得s3中經(jīng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理后的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金的硬度約為350hv，室溫下的極限抗拉強度(uts)約為1250mpa，延伸率(elongation)約為12％。s2和s3中得到的合金的力學性能對照圖見圖2，上述數(shù)據(jù)說明sps燒結(jié)后引入ecap等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝使得合金的抗拉強度顯著增加。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種高強度fecral基合金，其特征在于，是將fecral合金粉末和納米zrc、zrh2粉末先進行機械合金化球磨處理，再經(jīng)放電等離子燒結(jié)成型得到鑄錠，最后將鑄錠進行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理得到的。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，對鑄錠每進行1道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，均進行退火處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度fecral基合金，其特征在于，退火處理的工藝參數(shù)為：600-750℃下退火40-80min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的高強度fecral基合金，其特征在于，等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理是采用c路徑進行擠壓；擠壓所采用的擠壓模具的相交角為90°。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，所述fecral合金粉末的化學成分按重量百分比計，包括：cr12.5～13％、al3.6～4.0％、mo1.5～1.7％、p≤0.015％、s≤0.015％、o≤0.02％、n≤0.015％，余量為鐵和雜質(zhì)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，所述納米zrc粉末的加入量mzrc和fecral合金粉末的重量mfecral之間的關(guān)系為：mzrc/mfecral＝0.5～1.0％。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，所述納米zrh2粉末的加入量mzrh2和fecral合金粉末的重量mfecral之間的關(guān)系為：mzrh2/mfecral≤1.0％。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，所述球磨處理是在惰性氣氛中干磨；球磨時間為18～22h，球料比為11～13：1，球磨轉(zhuǎn)速為250～350r/min。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度fecral基合金，其特征在于，所述放電等離子燒結(jié)是在含少量氫氣的氬氣氣氛中燒結(jié)，氫氣和氬氣的體積百分比為3：97。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種高強度FeCrAl基合金，涉及核燃料包殼材料技術(shù)領域，是將FeCrAl合金粉末和納米ZrC、ZrH2粉末先進行機械合金化球磨處理，再經(jīng)放電等離子燒結(jié)成型得到鑄錠，最后將鑄錠進行等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理得到的。本發(fā)明根據(jù)彌散強化和晶界凈化對金屬材料性能改善的作用原理，為提高FeCrAl的綜合性能，特別是延伸率和強度，采用納米尺寸的高硬相ZrC彌散分布于FeCrAl的晶界處和晶粒內(nèi)，通過相界和晶界的調(diào)控改善FeCrAl的強度；同時，為了改善FeCrAl?ZrC的塑性變形能力，利用ZrH2形成金屬Zr和鋯化物過程中對晶界的凈化作用來提高延伸率。此外，放電等離子燒結(jié)后引入等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝，通過大塑性變形引入高密度位錯來進一步提高FeCrAl?ZrC?ZrH2的綜合力學性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張廣杰;王先平;楊俊峰;李剛;何琨;劉瑞;謝卓明;張臨超;方前峰

受保護的技術(shù)使用者：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院;安徽工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院六安院;中國核動力研究設計院

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.06

技術(shù)公布日：2021.08.20