一种高强度FeCrAl基合金

　　

　　本发明涉及核燃料包壳材料技术领域，尤其涉及一种高强度fecral基合金。

　　背景技术：

　　清洁能源的迫切需求使得人们越发需要发展核能，而核能安全是继续发展核能的重中之重。为了进一步提高核能的安全阈值，人们提出了耐事故燃料的概念，而其中最关键的就是发展耐事故燃料包壳替代当前使用的锆合金包壳。作为耐事故包壳材料，除了需要有和锆合金相似性能，如高强度、低中子吸收、耐辐照、高热导率等，还需要较高的抗水蒸气氧化的能力。fecral合金除了具有良好的综合性能，还具有极其优异的抗水蒸气氧化能力，使其从其它候选耐事故包壳材料中脱颖而出。目前，对fecral基合金的制备工艺报道较多的为真空熔炼-锻造-热轧-正火-回火工艺以及球磨混粉-sps烧结(-锻造)工艺，虽然其制备工艺已经成熟，但制备出来的合金力学性能有待进一步提高。如发明专利cn111809119a公开了一种弥散强化fecral合金材料，其利用球磨混粉-sps烧结-锻造工艺制备了加工性能好、组织稳定的fecral合金，但其力学性能有待进一步提高。

　　技术实现要素：

　　基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度fecral基合金，是采用“机械合金化球磨混粉-放电等离子烧结-等通道转角挤压”工艺制备得到的，其制备工艺简单、成本低廉，综合力学性能优异。

　　一种高强度fecral基合金，是将fecral合金粉末和纳米zrc、zrh2粉末先进行机械合金化球磨处理，再经放电等离子烧结成型得到铸锭，最后将铸锭进行等通道转角挤压处理得到的。

　　优选地，对铸锭每进行1道次等通道转角挤压后，均进行退火处理。

　　在本发明中，对挤压后的样品进行退火处理，以减少大挤压变形带来的内应力。

　　优选地，退火处理的工艺参数为：600-750℃下退火40-80min。

　　优选地，等通道转角挤压处理是采用c路径进行挤压；挤压所采用的挤压模具的相交角为90°。

　　上述c路径是指每次挤压后样品绕挤压方向旋转180°再进行下一道次挤压。

　　优选地，所述fecral合金粉末的化学成分按重量百分比计，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％，余量为铁和杂质。

　　优选地，所述纳米zrc粉末的加入量mzrc和fecral合金粉末的重量mfecral之间的关系为：mzrc/mfecral＝0.5～1.0wt.％。

　　优选地，所述纳米zrh2粉末的加入量mzrh2和fecral合金粉末的重量mfecral之间的关系为：mzrh2/mfecral≤1.0wt.％。

　　优选地，所述球磨处理是在惰性气氛中干磨；球磨时间为18～22h，球料比为11～13：1，球磨转速为250～350r/min。

　　优选地，所述放电等离子烧结是在含少量氢气的氩气气氛中烧结，氢气和氩气的体积百分比为3：97。

　　有益效果：本发明根据弥散强化和晶界净化对金属材料性能改善的作用原理，为了提高fecral的综合性能，特别是延伸率和强度，采用纳米尺寸的高硬相zrc弥散分布于fecral的晶界处和晶粒内，通过相界和晶界的调控改善fecral的强度；同时，为了改善fecral-zrc的塑性变形能力，利用zrh2形成金属zr和锆化物过程中对晶界的净化作用来提高延伸率。此外，放电等离子烧结后引入等通道转角挤压(ecap)工艺，通过大塑性变形来进一步提高fecral-zrc-zrh2的综合力学性能；而对挤压后的样品进行退火处理，以减少大挤压变形带来的内应力。

　　附图说明

　　图1为本发明实施例中原料粉体的sem及相应尺寸分布图；其中，(a)fecral，(b)zrc，(c)zrh2；

　　图2为本发明实施例中制备的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金经等通道转角挤压处理前后的力学性能对比图；其中，(a)室温下的极限抗拉强度，(b)延伸率。

　　具体实施方式

　　以下实施例中所采用的fecral合金粉末的化学成分为cr12.71％、al3.7％、mo1.63％、p0.01％、s0.003％、o0.019％、n0.005％，余量为铁和杂质；其颗粒平均尺寸约为16.5um，颗粒形貌如图1(a)所示。

　　以下实施例中所采用的纳米zrc粉末的颗粒平均尺寸约为20.1nm，颗粒形貌如图1(b)所示；纳米zrh2粉末的颗粒粒径呈双峰分布，大颗粒尺寸主要介于4～6μm，而小颗粒尺寸主要介于0.5～1μm，颗粒形貌如图1(c)所示。

　　下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

　　实施例

　　制备fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金

　　s1、称取79.04gfecral合金粉末、0.8g纳米zrc粉末、0.16gzrh2加入到球磨罐内，用ar气对球磨罐进行3道次洗气，最终使球磨罐内充满ar气并保持微正压，然后在卧式行星球磨机内进行干磨，球磨参数设置为球料比为12：1，转速为300r/min，球磨60min停机20min，球磨时间20h，使得纳米zrh2、zrc与fecral合金粉末进行充分均匀地机械合金化，球磨后取出球磨罐中的混合粉末；机械化球磨后球状fecral严重变形，zrc和zrh2颗粒嵌入fecral中或附着在fecral表面。

　　s2、将混合粉末倒入φ90mm的石墨模具中(具体实施时石墨模具的尺寸可根据需要自行设计)，在放电等离子体烧结设备中进行放电等离子烧结，使得fecral合金粉末和zrh2、纳米zrc粉末进一步合金化，得到铸锭；

　　测得s2中经放电等离子烧结成型后的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金的硬度为296.1hv，室温下的极限抗拉强度(uts)约为850mpa，延伸率(elongation)约为18％。

　　s3、将铸锭切成φ10×60mm的圆棒，然后在等通道转角挤压模具上按照路线c(即每次挤压后样品绕挤压方向旋转180°再进行下一道次挤压)进行ecap挤压处理，挤压模具的相交角为90°，在加热炉中将挤压后的样品进行700℃&1h的退火处理，以减少大挤压变形带来的内应力，对铸锭每进行1道次等通道转角挤压后，均进行退火处理，重复挤压-退火操作，对铸锭进行2道次等通道转角挤压处理。

　　测得s3中经等通道转角挤压处理后的fecral+1wt.％zrc+0.2wt.％zrh2合金的硬度约为350hv，室温下的极限抗拉强度(uts)约为1250mpa，延伸率(elongation)约为12％。s2和s3中得到的合金的力学性能对照图见图2，上述数据说明sps烧结后引入ecap等通道转角挤压工艺使得合金的抗拉强度显著增加。