CN104946912A - 密排六方结构的稀土高熵合金 - Google Patents

Abstract

一种密排六方结构的高熵合金，其成分是La_xGd_xHo_xY_x Ce _x 或La_xGd_xHo_xY_x Tb _x或La_xGd_xHo_x Er _x Ce _x，其中x为原子数百分比x=20。用高真空非自耗电弧熔炼炉在99.999%的高纯氩气保护下将原料熔炼4～5次制成母合金纽扣锭；用金相镶样机将三种铸锭镶成尺寸为20mm×10mm的试样；依次用100#、240#、400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸磨平试样表面，然后对试样进行抛光；用X射线衍射仪测量三种高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20o～80o，扫描速度为3o/min。根据获得的衍射峰对照ASTM卡片确定所制备的三种高熵合金的晶体结构为密排六方结构。

Description

密排六方结构的稀土高熵合金

技术领域

本发明属于稀土合金材料技术领域，具体而言，是通过采用高真空非自耗电弧熔炼炉熔炼稀土金属制备具有密排六方结构的高熵合金。

背景技术

高熵合金由于其高强度、高硬度、高耐磨性、较好的热稳定性以及较强的抗氧化和抗腐蚀能力等特性引起了材料科学工作者的广泛关注，在工程应用方面显示了极大的潜力。高熵合金是由五种或以上元素按照等原子比或近似等原子比的原则形成的一类多主元合金，由于组元间较高的混合熵而倾向于形成无序排列的固溶体，其中最具代表性的是中国台湾清华大学叶均蔚教授等发现的以CoCrCuFeNi为代表的面心立方结构的固溶体合金和北京科技大学张勇教授等发现的以AlCoCrFeNi为代表的体心立方结构的固溶体合金。目前研究的高熵合金都是体心立方结构或面心立方结构或者是二者的混合结构，很少有报道关于密排六方结构的高熵合金。为了弥补这一空缺，研究人员尝试制备具有密排六方结构的高熵合金。

根据玻尔兹曼理论，n种金属组成的合金体系的混合熵可用以下公式计算：

S＝klnω

式中，k为波尔兹曼常数，ω为热力学几率。当合金以等原子比混合 时体系的混合熵达到最大。对于五元合金系而言，其混合熵为1.61R。理查德规则认为大多数金属熔化时的熵值变化近视等于R，因此五种金属混合形成合金时其混合熵大于熔化熵，合金更容易形成固溶体。多种金属混合能否形成固溶体合金，香港城市大学的郭晟认为与合金系的混合熵ΔS_mix、混合焓ΔH_mix及原子半径差δ有关，其中

${\mathrm{\ΔS}}_{mix}=-R\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(c_i{\mathrm{lnc}}_i\right)$

${\mathrm{\ΔH}}_{mix}=\underset{i=1,i\≠j}{\overset{n}{\Σ}}4H_{ij}{c}_i{c}_j$

$\mathrm{\δ}=100\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{c}_i{(1-r_i/\stackrel{\‾}{r})}^2}$

式中，R是气体常数，c_i是元素的原子百分比。当0≤δ≤8.5，-22≤ΔH_mix≤7kJ/mol，11≤ΔS_mix≤19.5J/(K·mol)时，合金中就只有固溶体相。这一结构类型高熵合金成为继面心立方结构高熵合金和体心立方结构高熵合金之后又一重大发现，对于高熵合金的研究开发和工业应用具有重要意义。

发明内容

针对以往高熵合金只具有面心立方结构和体心立方结构这一问题，本发明旨在制备出具有新的结构类型的高熵合金——密排六方结构。

一种密排六方结构的高熵合金，其成分是La_xGd_xHo_xY_xCe_x或La_xGd_xHo_xY_xTb_x或La_xGd_xHo_xEr_xCe_x，其中x为原子数百分比且x＝20。

所述的密排六方结构的高熵合金，通过采用高真空非自耗电弧熔炼炉熔炼而成。

所述的密排六方结构的高熵合金，其制备步骤是：

(1)按照原子数百分比La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Y：20％，Ce：20％，或La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Y：20％，Tb：20％，或La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Er：20％，Ce：20％作为原料；

(2)用高真空非自耗电弧熔炼炉在99.999％的高纯氩气保护下将原料熔炼4～5次制成母合金铸锭。

所述的密排六方结构的高熵合金，其检测步骤是：

(1)用金相镶样机将母合金铸锭镶成尺寸为20mm×10mm的试样；

(2)依次用100#、240#、400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸磨平试样表面，然后对试样进行抛光；

(3)用X射线衍射仪对试样进行X射线衍射谱线扫描，扫描角度范围为20°～80°，扫描速度为3°/min。

本发明在高熵合金领域首次提出具有密排六方结构，打破了以往高熵合金只具有面心立方结构和体心立方结构这一惯例，对于今后高熵合金的开发具有重要的指导和借鉴意义，从而能够进一步扩大高熵合金在产业领域的应用范围。

附图说明

图1是合金Y₂₀La₂₀Ce₂₀Gd₂₀Ho₂₀铸锭的X射线衍射图；

图2是合金La₂₀Ce₂₀Gd₂₀Ho₂₀Er₂₀铸锭的X射线衍射图；

图3是合金Y₂₀La₂₀Gd₂₀Tb₂₀Ho₂₀铸锭的X射线衍射图。

具体实施方式

实施例一：本发明采用高真空非自耗电弧熔炼炉制备具有密排六方结构的高熵合金，其制备步骤包括：

1、选用纯度高于99.9％的Y、La、Ce、Gd、Tb、Ho和Er作为原料，按照原子数百分比La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Y：20％，Ce：20％，进行配比；

2、用高真空非自耗电弧熔炼炉，并在99.999％的高纯氩气保护下将原料熔炼成母合金铸锭，熔炼时将原料反复翻转进行4～5次熔炼以提高成分的均匀性；

3、用金相镶样机将母合金铸锭镶成尺寸为20mm×10mm的试样；

4、依次用100#、240#、400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸磨平试样表面，然后对试样进行抛光；

5、用X射线衍射仪测量高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20°～80°，扫描速度为3°/min。

实施例二：本实施例的配料是La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Y：20％，Tb：20％，其它与实施例一相同。

实施例三：本实施例的配料是La：20％，Gd：20％，Ho：20％，Er：20％，Ce：20％；，其它与实施例一相同。

本发明采用高真空非自耗电弧熔炼炉制备了成分为 Y₂₀La₂₀Ce₂₀Gd₂₀Ho₂₀、La₂₀Ce₂₀Gd₂₀Ho₂₀Er₂₀和Y₂₀La₂₀Gd₂₀Tb₂₀Ho₂₀的三种高熵合金，并测量其X射线衍射谱。根据获得的衍射峰对照ASTM卡片确定所制备的三种高熵合金的晶体结构为密排六方结构。

以上是有关本发明较佳实施例的说明。在此，需要说明的一点是，本发明并不局限于以上实施例，在满足权利要求书、发明详细说明以及附图等范围要求的情况下，可以对本发明进行各种变更实施，而这些均属于本发明范围之内。

说明：本发明所述的高真空非自耗电弧熔炼炉与专利号是201210295303.1中所述的高真空非自耗电弧熔炼炉相同。

Claims (4)

1.一种密排六方结构的高熵合金，其成分是La_xGd_xHo_xY_x Ce _x 或La_xGd_xHo_xY_x Tb _x或La_xGd_xHo_x Er _x Ce _x，其中x为原子数百分比x=20。

2.根据权利1所述的密排六方结构的高熵合金，其特征在于：通过采用高真空非自耗电弧熔炼炉熔炼而成。

3.根据权利1或2所述的密排六方结构的高熵合金，其特征在于：其制备步骤是：

（1）按照原子数百分比La：20%，Gd：20%，Ho：20%， Y：20%，Ce：20%，或La：20%，Gd：20%，Ho：20%，Y：20%，Tb：20%，或La：20%，Gd：20%，Ho：20%，Er：20%，Ce：20%作为原料；

（2）用高真空非自耗电弧熔炼炉在99.999%的高纯氩气保护下将原料熔炼4～5次制成母合金铸锭。

4.根据权利1或2或3所述的密排六方结构的高熵合金，其特征在于：其检测步骤是：

（1）用金相镶样机将母合金铸锭镶成尺寸为 20mm×10mm的试样；

（2）依次用100#、240#、400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸磨平试样表面，然后对试样进行抛光；

（3）用X射线衍射仪对试样进行X射线衍射谱线扫描，扫描角度范围为20o～80o，扫描速度为3o/min。