一种核用中熵合金体系及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种核用中熵合金体系及其制备方法与应用，属于中熵合金材料及其制备技术领域。本发明FeCrV系，由四种低活化元素Fe、Cr、V和M(Ti、Mn、Ni、Zn中的一种)组成，其中Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x，0≤x≤0.5。经过原料处理和称料配比，采用磁悬浮(金属原料样品与坩埚无接触)电弧熔炼方式和退火热处理制备得到核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料。本发明的低活化FeCrV系中熵合金材料表现出优异的高温热稳定性和高强、高韧性能。该中熵合金有望应用于ADS散裂靶靶窗和次临界反应堆堆芯、聚变堆和第四代核裂变反应堆堆芯，以及强酸性环境或液态金属环境的结构材料或者涂层材料。

权利要求

1.一种低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系，由三种低活化元素Fe、Cr、V组成，其中，Fe、Cr、V的原子摩尔比依次为1:1:1；所述FeCrV系中熵合金材料体系还包括第四种低活化元素M，其中，Fe、Cr、V和M的原子摩尔比依次为1:1:1:x，0.1＜x≤0.5，M为Ni、Zn的任一种，所述FeCrV系中熵合金材料体系具有BCC+Laves的双相结构。

2.制备权利要求1所述的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系的方法，包括如下步骤：

1)原料处理和称料配比

以Fe、Cr、V和M金属单质为原料，按照Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x，0.1＜x≤

0.5的配比称料，其中，M为Ni、Zn的任一种，

2)真空磁悬浮电弧熔炼

将称好的金属原料置于非自耗真空磁悬浮感应熔炼炉中，抽真空，充氩气，在50Pa的高纯度氩气氛围中，熔炼；

3)退火热处理

熔炼结束后，维持50Pa的高纯度氩气氛围，自然冷却至室温后，将纽扣状铸态合金密封在充有高纯氩气的石英管中，并在800～1500℃的温度范围内进行退火热时效处理24～

72h，得到低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金。

3.根据权利要求2所述的制备低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系的方法，其特征在于：步骤2)的操作为：将称好的金属原料置于非自耗真空磁悬浮感应熔炼炉中，对放置熔炼原料的非自耗真空磁悬浮电弧熔炼炉进行抽真空，当真空度降低为3‑3

×10 Pa时，充氩气，当真空度为50Pa时，停止充氩，重复以上步骤，使熔炼炉炉腔置于真空度为50Pa的高纯度氩气氛围中，打开熔炼控制开关，开始熔炼，非自耗真空电弧熔炼炉熔炼电流为170～220A，单次熔炼时间为50～70s，使金属单质原材料全部熔化并且混合均匀，然后关闭熔炼控制开关，等合金铸锭自然冷却凝固以后，再通过相同的方法和流程反复翻转熔炼，一共熔炼5～7次。

4.权利要求1所述的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系在核能系统或强酸性环境或液态金属环境中的应用。

5.根据权利要求4所述的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系的应用，其特征在于：所述应用为：

1)用作加速器驱动次临界反应堆系统的散裂靶结构材料、次临界反应堆堆芯组件材料或者堆芯组件材料的涂层材料；

2)用作聚变堆系统的面向等离子体第一壁材料或者做为面向等离子体第一壁材料的涂层材料；

3)用作第四代核裂变反应堆的堆芯燃料包壳或者做为第四代核裂变反应堆的堆芯燃料包壳的涂层材料；

4)用于强酸性溶液容器材料、液态金属包裹结构材料或者液态金属包裹结构材料的涂层材料。

说明书

一种核用中熵合金体系及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于高/中熵合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金体系及其制
备方法与应用。

背景技术

[0002] 核能是一种高能量密度的低碳清洁能源。在中国乃至全世界，大力发展核能作为克服化石能源短缺和环境污染治理的重要途径而备受重视。材料在极端环境下的使役行为
是制约核能使用和发展的主要瓶颈之一，材料问题决定着核能系统的可行性、安全性和经
济性。

[0003] 核电技术的革新带来核能利用率和安全性的大幅提升，同时更加苛刻的工况环境对材料提出了更高要求。例如，聚变堆第一壁材料(直接面向等离子体的材料)需要满足多
种严苛的要求：低氚滞留和渗透、优异的抗中子辐照能力(100dpa)、抗等离子体辐照、低活
化、耐高温、耐热冲击等。同样的，第四代核裂变反应堆的堆内结构材料将面临更高的温度、
压力和中子通量的极端恶劣工况环境。因此，开发能够用于聚变堆、第四代核裂变反应堆或
者加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)等先进核能系统的(候选)工程材料是推动核能开发
和应用中的一项关键工作。

[0004] 目前已广泛使用的钢铁和合金材料，以及新近提出的一些有望应用于未来先进核能系统的候选结构材料都存在着各种各样的问题，不能完全满足聚变堆、第四代核裂变堆
和加速器驱动次临界系统(ADS)等先进核能系统的工况要求。例如：T91、316L、15‑15Ti钢和
合金材料存在高温强度不够、非低活化(辐照后嬗变产物多、放射性水平高)、辐照蠕变和脆
化等问题；Zr合金的固有安全问题(高温下的锆水反应产氢)；Fe基RAFM钢在0～10dpa下辐
照脆化的问题；ODS钢的大规模生产工艺和成本控制等问题；SiC、ZrO2等陶瓷材料的韧性
差、难加工等问题；SiC纤维复合材料等虽然韧性得到了部分增强，但又带来了热导变差和
复合界面结合等多重问题。这些典型问题都极大的制约了上述材料在未来先进核能系统中
的可能应用。而“高/中熵合金(HEAs/MEAs)”材料，因其具有独特的热力学上的高混合熵效
应、晶体学上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的鸡尾酒效应等特点，经
过特殊的组分设计和制备，这种特殊的高/中熵合金材料有可能具备高强度、高韧性、高硬
度、耐高温、耐高压、耐腐蚀和抗辐照等优良性能，使得高/中熵合金(HEAs/MEAs)材料在未
来先进核能系统候选用材方面具有良好的应用前景。

[0005] 目前，针对核用高/中熵合金材料的开发还处于起步阶段。虽然已有文章和专利对部分高/中熵合金材料体系进行了报道和研究，但他们所涉及的高/中熵合金材料体系往往
含有Al、Cu等非低活化元素；再有就是针对材料具备高强度所设计的难熔高/中熵合金材料
体系，其高温下的强度性能极高，但是往往韧性很差。

发明内容

[0006] 本发明的目的之一是提供一种低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系。

[0007] 本发明所提供的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系，由三种低活化元素Fe、Cr、V组成，其中，Fe、Cr、V的原子摩尔比依次为1:1:1，

[0008] 进一步地，所述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系还可包括第四种低活化元素M，其中，Fe、Cr、V和M的原子摩尔比依次为1:1:1:x，0≤x≤0.5，M为
Ti、Mn、Ni、Zn的任一种。

[0009] 所述FeCrV系中熵合金，具有低中子反应截面(低活化)、耐高温(1500℃以上)、高强度(屈服强度达到1100MPa～1525MPa，极限强度达到1700MPa～2200MPa)、高韧性(断裂伸
长率达到25％～35％)的性能。

[0010] 本发明的另一目的是提供上述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系的制备方法。

[0011] 本发明所提供的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系通过包括如下步骤的方法制备得到：

[0012] 1)原料处理和称料配比

[0013] 以Fe、Cr、V金属单质为原料，按照Fe、Cr、V的原子摩尔比为1:1:1的配比称料；

[0014] 或，

[0015] 以Fe、Cr、V和M金属单质为原料，按照Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x(0≤x≤0.5)的配比称料；

[0016] 2)真空磁悬浮电弧熔炼

[0017] 将称好的金属原料置于非自耗真空磁悬浮感应熔炼炉中，抽真空，充氩气，在50Pa的高纯度氩气氛围中，熔炼；

[0018] 3)退火热处理

[0019] 熔炼结束后，维持50Pa的高纯度氩气氛围，自然冷却至室温后，将纽扣状铸态合金密封在充有高纯氩气的石英管中，并在800～1500℃的温度范围内进行退火热时效处理24
～72h，得到低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金。

[0020] 上述方法步骤1)中，以纯度均大于99.9wt％的Fe、Cr、V和M金属单质块体为原料，先通过砂纸打磨去除Fe、Cr、V和M金属单质块体表面的杂质和氧化物；然后依次使用丙酮、
酒精和去离子水超声清洗，干燥后，配比称料；

[0021] 所述超声清洗采用的超声功率密度为0.8W/cm2，频率为33Hz，所述超声清洗的时间可为5min；

[0022] 采用高精度天平进行配比称料，所述高精度天平的精度可为0.0001g；

[0023] 上述方法步骤2)中，采用金属原料样品与坩埚无接触的冶炼方式，保证反应物的纯净度以避免熔炼过程中引入其他杂质；

[0024] 步骤2)的具体操作为：将称好的金属原料置于非自耗真空磁悬浮感应熔炼炉中，‑3
对放置熔炼原料的非自耗真空磁悬浮电弧熔炼炉进行抽真空，当真空度降低为3×10 Pa
时，充氩气，当真空度为50Pa时，停止充氩，重复以上步骤，使熔炼炉炉腔置于真空度为50Pa
的高纯度(99.99wt％)氩气氛围中，打开熔炼控制开关，开始熔炼，非自耗真空电弧熔炼炉
熔炼电流为170～220A，单次熔炼时间为50～70s，使金属单质原材料全部熔化并且混合均
匀，然后关闭熔炼控制开关，等合金铸锭自然冷却凝固以后，再通过相同的方法和流程反复
翻转熔炼，一共熔炼5～7次。

[0025] 其中，利用机械泵和分子泵相结合对放置熔炼原料的非自耗真空磁悬浮电弧熔炼炉进行抽真空；

[0026] 通过反复翻转熔炼，金属元素能够充分混合均匀形成固溶体结构避免成分偏析。

[0027] 本发明的再一目的是提供上述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料在核能系统(领域)以及强酸性环境或液态金属环境中的应用。

[0028] 所述应用，具体可为：1)用作加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)的散裂靶靶窗或散裂靶结构材料，以及次临界反应堆堆芯的燃料包壳/组件材料或者是其涂层材料；

[0029] 2)用作聚变堆系统的面向等离子体第一壁材料或者做为其涂层材料；

[0030] 3)用作第四代核裂变反应堆的堆芯燃料包壳/组件结构材料或者做为其涂层材料；

[0031] 4)用于强酸性溶液容器材料和液态金属(包裹)结构材料或者做为其涂层材料。

[0032] 本发明的有益效果是：

[0033] (1)相比于T91、S316、15‑15Ti钢等传统钢铁和合金而言，本发明FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金材料全部采用Fe、Cr、V、M(Ti、Mn、Ni、Zn)
等低活化元素，其对高能质子、中子等粒子的核反应截面较小，产生的嬗变活化产物较少，
这将使得应用FeCrV系中熵合金体系做为结构材料的核能装置其感生放射性大幅度降低。
低活化特性，是FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金的重要特征和核
应用基础之一。

[0034] (2)相比于T91、S316等传统钢铁和合金而言，本发明FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金材料大幅增加了Cr元素和V元素的使用量，Fe、Cr、V三种元素的
原子摩尔比约为1:1:1形成了三主元合金。大量冶金学研究结果表明，Cr、V元素含量增大，
将能提高传统Fe基钢铁和合金的耐高温和耐腐蚀性能。对于本发明而言，较大Cr、V含量的
FeCrV系中熵合金拥有极其优异的高温稳定性和耐酸腐蚀性能；并且通过添加少量的M(Ti、
Mn、Ni、Zn)元素，其含量为0≤x≤0.5的摩尔比，对FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x
≤0.5)中熵合金材料的晶粒度、晶体取向、析出物、晶界等进行调制，以达到高强度、高韧
性、抗辐照等效果。通过热力学相图计算设计出的组分配比和高/中熵合金材料性能可调的
鸡尾酒效应，是FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金的重要特征和核
应用基础之一。

[0035] (3)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.1)中熵合金在掺杂元素M含量较小时(0≤x≤0.1)，具有单一的体心立方(BCC)结构，无第二相；而当M元素含量大
于0.1时，本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0.1Laves的双相结构，其实质为BCC+Laves双相(Fe1‑2xCrV相和MxFe2x相)共格固溶体结构，其整
体呈现BCC晶格有序和化学原素无序排列的原子结构特征。相比于已有报道的面心立方
(FCC)高熵合金(如FeCoNiCr基高熵合金)，BCC结构和BCC+Laves双相结构的材料更抗辐照，
对于H、He等核反应嬗变气体元素有着更强的容纳能力。BCC结构和BCC+Laves双相结构的晶
格有序和化学元素无序排列，是FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金
的重要特征和核应用基础之一。

[0036] (4)具体而言，本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金具有良好的耐高温、高强度、高韧性、抗辐照、耐酸腐蚀等特性。

[0037] 通过热重/差热分析和X射线衍射测试，当测试最高温度达到1500℃时，样品质量变化在0.05％之内，样品也始终保持着初始的体心立方BCC结构或者BCC+Laves的双相结
构，很稳定。这意味着FeCrV系中熵合金高温下难以被氧化、也难以分解，具有极其优异的高
温热稳定性(耐高温)。通过压缩力学的系列测试，得到FeCrV系中熵合金的屈服强度达到
1100MPa～1525MPa，极限强度达到1700MPa～2200MPa，断裂伸长率达到25％～35％；作为对
比，T91钢的屈服强度为625MPa，极限强度为800MPa，断裂伸长率为22％。显然相比传统钢铁
如T91等材料，FeCrV系中熵合金在大幅提高强度的同时，其韧性并没有减弱甚至还得到增
加，其具有超高强度、高韧性的特性。通过酸腐蚀和金相腐蚀实验，传统的中碳合金钢(如
TiV合金钢)在稀盐酸(HCl)加苦味酸(C6H3N3O7)弱酸性腐蚀液中腐蚀2min已经表现出明显
的过腐蚀现象(晶界完全腐蚀透了)，而FeCrV系中熵合金在相同配方的酸性腐蚀液中经过
30min其表面根本观察不到腐蚀现象，甚至在王水(浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3)按体积比
为3:1组成的混合物)强酸性腐蚀液中腐蚀60min还是腐蚀不出来明显的晶界，这表明本发
明的FeCrV系中熵合金表现出了极为优异的耐酸腐蚀性能。

[0038] (5)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金是通过真空感应/电弧熔炼的方法制备，相对来说制备方法和生产工艺简单，便于FeCrV系中熵合金
材料的大规模生产和有效降低生产成本，这也是其核应用基础之一。

[0039] 本发明的应用前景有：

[0040] (1)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金有望应用于加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)的散裂靶靶窗或散裂靶结构材料，以及次临界反应
堆堆芯的燃料包壳/组件材料或者是其涂层材料，以抵抗高温(400～1000℃)、强中子/质子
混合谱辐照(～10dpa/年)、高局部应力(最高约600MPa～800MPa)的极端工况环境。

[0041] (2)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金，因其具有低氚滞留、抗中子/等离子体辐照能力优异、低活化、耐高温和耐热冲击等优异特性，有望应
用于未来聚变堆系统的面向等离子体第一壁材料或者做为其涂层使用。

[0042] (3)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金，因其具有低活化、耐高温、高强度(耐高压)、高韧性、抗中子辐照等优异特性，有望应用于第四代核裂
变反应堆的堆芯燃料包壳/组件等结构材料或者做为其涂层材料。

[0043] (4)本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金，因其极其优异的耐酸和耐液态金属腐蚀性能，有望应用于强酸性溶液容器材料和液态金属(包裹)结
构材料或者做为其涂层材料。

[0044] 本发明针对先进核能系统用材需求的背景，通过中子学筛选低活化元素分析、热力学相图计算等对于合金材料组分进行设计和熔炼制备，开发出了一种兼顾低活化、耐高
温、高强度、高韧性、耐酸腐蚀的FeCrV系中熵合金体系，结合典型的力、热、抗辐照、耐腐蚀
等性能测试和表征，给出了该中熵合金体系在ADS、聚变堆和四代裂变堆中的可能应用范
围。

附图说明

[0045] 图1为本发明实施例1和实施例3制备得到的FeCrV和FeCrVTi0.1中熵合金材料的X射线衍射图谱。

[0046] 图2为本发明实施例7和实施例8制备得到的FeCrVMn0.3和FeCrVNi0.1中熵合金材料的X射线衍射图谱。

[0047] 图3为本发明实施例3制备得到的FeCrVTi0.1中熵合金材料的扫描电镜(SEM)观察的表面形貌图。

[0048] 图4为本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金材料的透射电镜(TEM)观察结果，其中A是FeCrV中熵合金的局部TEM照片，B、C和D是针对A区域的EDS能谱面扫分布图，E是针
对A区域的EDS元素能谱分析结果。

[0049] 图5为本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金材料热重/差热分析测试中的样品质量百分比随着温度的变化曲线图。

[0050] 图6为本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6制备得到的FeCrVTix中熵合金材料压缩力学性能测试中的工程应力‑应变曲线图。

[0051] 图7为本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金金相腐蚀照片和中碳合金钢的金相腐蚀结果对比图(A为FeCrV中熵合金，B为TiV中碳合金)。

具体实施方式

[0052] 下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

[0053] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

[0054] 本发明提供一种低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系，所述FeCrV系中熵合金材料体系，由三种低活化元素Fe、Cr、V组成，其中，Fe、Cr、V的原子摩尔
比依次为1:1:1，

[0055] 进一步地，所述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系还可包括第四种低活化元素M，其中，Fe、Cr、V和M的原子摩尔比依次为1:1:1:x，0≤x≤0.5，M为
Ti、Mn、Ni、Zn的任一种。

[0056] 本发明所提供的低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料体系通过包括如下步骤的方法制备得到：

[0057] 1)原料处理和称料配比

[0058] 以Fe、Cr、V和M金属单质为原料，按照Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x(0≤x≤0.5)的配比称料；以Fe、Cr、V金属单质为原料，按照Fe、Cr、V的原子摩尔比为1:1:1的配比称
料；

[0059] 或，

[0060] 以Fe、Cr、V和M金属单质为原料，按照Fe、Cr、V和M的原子摩尔比为1:1:1:x(0≤x≤0.5)的配比称料；

[0061] 2)真空磁悬浮电弧熔炼

[0062] 将称好的金属原料置于非自耗真空磁悬浮感应熔炼炉中，抽真空，充氩气，在50Pa的高纯度氩气氛围中，熔炼；

[0063] 3)退火热处理

[0064] 熔炼结束后，维持50Pa的高纯度氩气氛围，自然冷却至室温后，将纽扣状铸态合金密封在充有高纯氩气的石英管中，并在800～1500℃的温度范围内进行退火热时效处理24
～72h，得到低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金。

[0065] 本发明还提供上述低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV系中熵合金材料在核能系统(领域)以及强酸性环境或液态金属环境中的应用。

[0066] 本发明针对先进核能系统用材需求的背景，通过中子学筛选低活化元素分析、热力学相图计算等对于合金材料组分进行设计和熔炼制备，开发出了一种兼顾低活化、耐高
温、高强度、高韧性、耐酸腐蚀的FeCrV系中熵合金体系，结合典型的力、热、抗辐照、耐腐蚀
等性能测试和表征，给出了该中熵合金体系在ADS、聚变堆和四代裂变堆中的可能应用范
围。

[0067] 实施例1

[0068] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV中熵合金，其由三种低活化元素Fe、Cr和V组成，其中Fe、Cr、V三者的原子摩尔比为1:1:1。FeCrV中熵合金的制备方法，具体
包括如下步骤：

[0069] 步骤1，原料处理和称料配比：

[0070] 首先通过砂纸打磨去除纯度均大于99.9wt％的Fe、Cr、V和M金属单质块体表面的杂质和氧化物；然后依次使用丙酮、酒精和去离子水在超声波清洗器中清洗5min(超声功率
2
密度为0.8W/cm ，频率为33Hz)，吹风机吹干后得到干净的Fe、Cr、V和M金属单质以备用。将
备用的金属单质利用高精度天平(精度为0.0001g)进行配比称料，其中Fe、Cr和V的质量百
分比依次为35.17％、32.75％和32.08％。本发明实验所用水冷铜坩埚所容纳铸锭质量为
10g(具体的铸锭质量可以根据实验操作人员需要和设备容量进行设定，称重Fe、Cr、V单质
质量利用质量百分比乘以铸锭总质量即可)，即称取Fe、Cr和V金属单质依次为3.517g、
3.275g和3.208g，然后置于非自耗真空磁悬浮感应/电弧熔炼炉中。

[0071] 步骤2，抽真空和充氩气：利用机械泵和分子泵相结合对于放置熔炼原料的非自耗‑3
真空磁悬浮电弧熔炼炉进行抽真空，当真空度降低至3×10 Pa时，关闭机械泵、分子泵和阀
门；然后打开充氩气阀门，开始充氩气，当真空度为50Pa时，关闭充氩阀门。重复以上步骤洗
气五次，最后使熔炼炉炉腔置于真空度为50Pa的高纯度(99.99wt％)氩气氛围中。

[0072] 步骤3，熔炼和退火热处理：基于上述50Pa的高纯度氩气氛围条件，打开熔炼控制开关，开始熔炼。非自耗真空电弧熔炼炉熔炼电流为190A左右，单次熔炼时间通常为60s使
金属单质Fe、Cr和V全部熔化并且混合均匀，然后关闭熔炼控制开关，等合金铸锭自然冷却
凝固以后，再通过相同的方法反复翻转熔炼，每次熔炼60s，一共熔炼5～7次。通过反复翻转
熔炼，四种元素能够充分混合均匀形成固溶体结构避免成分偏析。熔炼结束后，维持50Pa的
高纯度氩气氛围，在水冷铜坩埚中自然冷却至室温后，将纽扣状铸态合金密封在充有高纯
氩气的石英管中，并在1000℃下进行退火热时效处理24h。至此，FeCrV中熵合金制备完成。

[0073] 实施例2

[0074] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVTi0.05中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Ti组成，其中Fe、Cr、V、Ti四者的原子摩尔比为1:1:1:0.05。FeCrVTi0.05中
熵合金的制备方法，具体包括步骤同实施例1。

[0075] 本实施例与实施例1的不同之处在于：Fe、Cr、V和Ti的质量百分比依次为34.65％、32.26％、31.60％和1.48％，即称取Fe、Cr、V和Ti金属单质依次为3.465g、3.226g、3.160g和
0.148g。

[0076] 其它同实施例1，FeCrVTi0.05中熵合金制备完成。。

[0077] 实施例3

[0078] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVTi0.1中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Ti组成，其中Fe、Cr、V、Ti四者的原子摩尔比为1:1:1:0.1。FeCrVTi0.1中熵合
金的制备方法，具体包括步骤同实施例1。

[0079] 本实施例与实施例1的不同之处在于：Fe、Cr、V和Ti的质量百分比依次为34.14％、31.79％、31.14％和2.93％，即称取Fe、Cr、V和Ti金属单质依次为3.414g、3.179g、3.114g和
0.293g。

[0080] 其它同实施例1，FeCrVTi01中熵合金制备完成。

[0081] 实施例4

[0082] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVTi0.2中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Ti组成，其中Fe、Cr、V、Ti四者的原子摩尔比为1:1:1:0.2。FeCrVTi0.2中熵合
金的制备方法，具体包括步骤同实施例1。

[0083] 本实施例与实施例1的不同之处在于：Fe、Cr、V和Ti的质量百分比依次为33.17％、30.89％、30.26％和5.69％，即称取Fe、Cr、V和Ti金属单质依次为3.317g、3.089g、3.026g和
0.569g。

[0084] 其它同实施例1，FeCrVTi0.2中熵合金制备完成。

[0085] 实施例5

[0086] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVTi0.3中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Ti组成，其中Fe、Cr、V、Ti四者的原子摩尔比为1:1:1:0.3。FeCrVTi0.3中熵合
金的制备方法，具体包括步骤同实施例1。

[0087] 本实施例与实施例1的不同之处在于：Fe、Cr、V和Ti的质量百分比依次为32.26％、30.03％、29.42％和8.29％，即称取Fe、Cr、V和Ti金属单质依次为3.226g、3.003g、2.942g和
0.829g。

[0088] 其它同实施例1，FeCrVTi0.3中熵合金制备完成。

[0089] 实施例6

[0090] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrV中熵合金，其由三种低活化元素Fe、Cr和V组成，其中Fe、Cr、V三者的原子摩尔比为1:1:1。FeCrV中熵合金的制备方法，具体
包括步骤同实施例1。

[0091] 本实施例与实施例1的不同之处在于：直接从水冷铜坩埚中取出纽扣状铸态FeCrV中熵合金，未进行1000℃的退火热时效处理。

[0092] 其它同实施例1，FeCrV未时效中熵合金制备完成。

[0093] 实施例7

[0094] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVMnx中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Mn组成，其中Fe、Cr、V、Mn四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x，0≤x≤0.5。
FeCrVMnx中熵合金的制备方法，具体包括步骤同实施例1～6。

[0095] 本实施例与实施例1～6的不同之处在于：将Ti元素换成了Mn元素，相应的称取质量也发生了变化(但始终遵从Fe、Cr、V、Mn四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x的关系，0≤x≤
0.5)。

[0096] 其它同实施例1～6，FeCrVMnx中熵合金和其未时效材料制备完成。

[0097] 实施例8

[0098] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVNix中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Ni组成，其中Fe、Cr、V、Ni四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x，0≤x≤0.5。
FeCrVNix中熵合金的制备方法，具体包括步骤同实施例1～6。

[0099] 本实施例与实施例1～6的不同之处在于：将Ti元素换成Ni元素，相应的称取质量也发生了变化(但始终遵从Fe、Cr、V、Ni四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x的关系，0≤x≤
0.5)。

[0100] 其它同实施例1～6，FeCrVNix中熵合金和其未时效材料制备完成。

[0101] 实施例9

[0102] 一种核用低活化、耐高温、高强度、高韧性的FeCrVZnx中熵合金，其由四种低活化元素Fe、Cr、V和Zn组成，其中Fe、Cr、V、Zn四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x，0≤x≤0.5。
FeCrVZnx中熵合金的制备方法，具体包括步骤同实施例1～6。

[0103] 本实施例与实施例1～6的不同之处在于：将Ti元素换成Zn元素，相应的称取质量也发生了变化(但始终遵从Fe、Cr、V、Zn四种元素的原子摩尔比为1:1:1:x的关系，0≤x≤
0.5)。

[0104] 其它同实施例1～6，FeCrVZnx中熵合金和其未时效材料制备完成。

[0105] 针对本发明实施例1和实施例3制备得到的FeCrV和FeCrVTi0.1中熵合金材料进行X射线衍射(XRD)测试得到的结果如图1所示，制备得到的FeCrV和FeCrVTi0.1中熵合金都是标
准的体心立方(BCC)结构。事实上，对于所有的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤
0.1)中熵合金，都遵从这一规律呈现BCC结构。

[0106] 针对本发明实施例7和实施例8制备得到的FeCrVMn0.3和FeCrVNi0.1中熵合金材料进行X射线衍射(XRD)测试得到的结果如图2所示，当掺杂元素M(本实施例为Ni)含量较小时
(0≤x≤0.1)，具有单一的体心立方(BCC)结构；而当掺杂元素M(本实施例为Mn)含量大于
0.1时，和FeCrVMn0.3的结构类似，本发明的FeCrV系(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0.10.5)中熵合金都具有BCC+Laves的双相结构。

[0107] 针对本发明实施例3制备得到的FeCrVTi0.1中熵合金材料的扫描电镜(SEM)表面形貌图如图3所示。该照片具有普遍性，与图3所示表面类似，熔炼制备出来的FeCrV系
(FeCrVMx，M＝Ti、Mn、Ni、Zn，0≤x≤0.5)中熵合金样品表面平整，致密度较好。

[0108] 针对本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金材料的透射电镜(TEM)观察的结果如图4所示，其中A是透射观察区域，B、C和D分别为A区域的X射线特征元素能谱图(EDS)，E是
针对A区域进行面扫描EDS的结果。EDS能谱和透射电镜结果表明：制备出来的FeCrV系中熵
合金的元素成分和比例完全和所设计的目标一致，且元素分布均匀，无其他杂质或杂相，无
偏析和铸态缺陷等。

[0109] 针对本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金材料进行热重测试，具体的测试结果如图5所示，温度从室温升高到1500℃，FeCrV中熵合金样品质量百分比基本保持不变，这
表明FeCrV系高/中熵合金材料具有良好的高温热稳定性，能够耐高温。

[0110] 针对本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6制备得到的FeCrVTix中熵合金材料进行力学压缩测试，具体的测试结果如图6所示，其屈服强度达到
1100MPa～1525MPa，极限强度达到1700MPa～2200MPa，断裂伸长率达到25％～35％，这表明
FeCrV系高/中熵合金材料具有优良的高强度和高韧性。

[0111] 针对本发明实施例1制备得到的FeCrV中熵合金进行金相腐蚀观测的结果如图7所示。在对比结果图7.(B)中，中碳合金钢(TiV合金钢)在稀盐酸(HCl)加苦味酸(C6H3N3O7)弱
酸性腐蚀液中腐蚀2min已经表现出明显的过腐蚀现象(晶界完全被腐蚀透了)，但是FeCrV
中熵合金在在相同配比的稀盐酸(HCl)加苦味酸(C6H3N3O7)弱酸性腐蚀液中腐蚀60min仍然
没有任何被腐蚀现象，甚至在王水(浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3按体积比为3:1组成的混合
物)强酸性腐蚀液中腐蚀60min还是腐蚀不出来明显的晶界，具体如图7.(A)所示，这表明本
发明的FeCrV系高/中熵合金表现出良好的耐腐蚀性能。