(Fe0.72B0.24Nb0.04)100-xGdx合金的非晶形成能力与力学性能

邱克强; 马欣蕊; 武彧婷; 向青春; 张伟; 任英磊

沈阳工业大学学报 ›› 2026, Vol. 48 ›› Issue (5) : 65 -72.

(Fe_0.72B_0.24Nb_0.04)_100-xGd_x合金的非晶形成能力与力学性能

邱克强, 马欣蕊, 武彧婷, 向青春, 张伟, 任英磊

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摘要

【目的】核能发电为人类生产生活带来了巨大便利，但随着核电产业的迅速发展，也带来了乏燃料的安全储存难题，因而亟须提升核电站乏燃料存储格架的中子吸收性能。B元素因具有较大的中子俘获截面，成为乏燃料中子吸收材料的优选组元，铁基非晶合金可容纳20%原子分数的B原子且兼具优异的综合性能与低成本优势，因而高B铁基非晶合金涂层材料具有广阔的应用前景。同时Gd也为优良的中子吸收元素，可以在含B材料中协同增强中子吸收效果，故在成分设计中引入高含量B元素和适量Gd元素。【方法】通过添加原子分数为2.5%～4.5%的Gd元素进行成分调控，采用铜模铸造法制备出一系列(Fe_0.72B_0.24Nb_0.04)_100-xGd_x（x=2.5,3.0,3.5,4.0,4.5）非晶合金，探讨了Gd含量对Fe-B-Nb系非晶合金形成能力、微观组织和力学性能的影响。利用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征非晶合金的非晶形成能力，采用力学性能试验机测试其压缩性能。【结果】当Gd的原子分数为2.5%和4.5%时，非晶合金的临界直径为2.5 mm;当Gd的原子分数为3.0%、3.5%和4.0%时，非晶合金的临界直径可达3 mm。此外，当Gd的原子分数为3.5%时，非晶合金的非晶形成能力最佳，X射线衍射半高宽可达0.425 4°,对应的过冷液相区宽度为88 K,约化玻璃转变温度为0.582,断裂强度为2 197 MPa。【结论】随着Gd的原子分数从2.5%增至4.5%,合金的非晶形成能力呈现先增后减的变化趋势，表明添加适量的Gd元素能够有效提高合金的非晶形成能力。上述非晶合金具有脆性特征，其断裂强度随着Gd原子分数的增加而降低。本文制备的新型非晶合金具有优异的力学性能和良好的玻璃形成能力，可为乏燃料贮存格架中的中子吸收涂层材料的研发提供新的选择。