CN108220740B

CN108220740B - 一种耐磨、耐蚀高熵合金材料及其制备方法

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Publication number: CN108220740B
Application number: CN201810039861.9A
Authority: CN
Inventors: 许艳飞; 欧阳豪; 肖逸锋; 吴靓; 钱锦文; 欧艳; 张乾坤; 李世哲; 邓季龙; 欧耀辉; 周水波; 唐少让
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: CN108220740A

Abstract

本发明涉及一种耐磨、耐蚀高熵合金材料及其制备技术。高熵合金材料成分为1:1:1:1:1:1等摩尔比的MoNbTaTiVZr，其制备过程如下：（1）按照等摩尔比配制各金属粉末；（2）将配制好的粉末在V型混粉机上混合均匀；（3）将混合后的粉末在压力机下冷压成形；（4）使用非自耗真空电弧熔炼炉对压制成块的样品进行熔炼。本发明制备的MoNbTaTiVZr高熵合金主要组成相为BCC固溶体相及少量的HCP相，具有硬度高和耐蚀性强等优点，该合金在耐磨和耐蚀领域具有很好的应用前景。

Description

一种耐磨、耐蚀高熵合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体提供了一种耐磨、耐蚀的MoNbTaTiVZr高熵合金及其制备方法，该合金在耐磨和耐蚀领域具有很好的应用前景。

背景技术

传统合金设计理念一般是以一种金属元素作为基元(含量一般超过50％)，通过添加各种元素来获得或改善金属的某种性能。传统合金的发展经验告诉我们，添加合金元素种类较多会使得合金中产生很多化合物尤其是脆性金属间化合物，引起合金脆性增加，此外，还使得合金的成分和种类分析变得困难，所以一般认为合金元素添加的种类越少越好，但这限制了合金种类向多元化发展的空间。

上世纪90年代，中国台湾学者叶均蔚突破传统合金设计理念，提出多组元高熵合金的概念。多主元高熵合金是由多种主要元素(不少于5种，每种元素的原子分数大约在5％～35％之间，没有一种元素能占50％以上)组成的合金，且每种组成元素都可以认为是溶质原子，对于每一种合金系统均可设计成简单的等物质的量比合金，也可设计成接近等物质的量比的合金。高熵合金较传统合金有着明显的特征，叶均蔚教授通过多年的研究，从动力学、热力学、组织和结构方面总结出四大高熵合金效应，即迟滞扩散效应、高熵效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。高熵合金由于具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，容易获得结构简单、热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，具有耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度和耐回火软化等性能特性。高熵合金具有极为广阔的应用前景，如可大幅度应用于制作耐腐蚀、高强度和耐高温的刀具、模具及机件；制造化工厂、船舰等的耐腐蚀材料；通过各种表面处理技术，制成高熵合金涂层改善基体性能等。高熵合金的应用是切入高功能和高附加值特殊合金材料领域的良好契机，因此制备高性能的MoNbTaTiVZr高熵合金具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于开发出具有优异性能的耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金，使其满足在现代工业中人们对材料耐磨耐蚀性能的要求，使得高熵合金在应用领域得到广泛应用。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：一种耐磨、耐蚀高熵合金材料，成分为MoNbTaTiVZr，其中，Mo:Nb:Ta:Ti:V:Zr的摩尔比依次为：1:1:1:1:1:1。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案还包括：一种成分为MoNbTaTiVZr的高熵合金材料的制备方法，其特征在于具体是按以下步骤完成的：

步骤一、采用纯度99.5％以上的冶金原料Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr金属粉末，按照等摩尔比例进行精确的称量配比，再将其混合均匀；

步骤二、使用压样机将混合后的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；

步骤三、使用非自耗真空电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；

步骤四、对样品室抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度≥99.99％氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；

步骤五、真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；

步骤六、熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

步骤七、熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得。

本发明的原理及有益效果在于：

1.本发明提供了一种耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金，所述高熵合金由BCC固溶体相及少量的HCP结构相组成，合金组织均匀。该合金的显微硬度可达502HV，具有较高的硬度和优异的耐腐蚀性能，具有广阔的应用前景。

2.本发明提供了一种耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金的制备方法，采用非自耗真空电弧熔炼炉熔炼法进行制备，制备方法简单可靠。

附图说明

图1为实施例中制备的MoNbTaTiVZr高熵合金的X射线衍射图谱图2为实施例中制备的MoNbTaTiVZr高熵合金的扫描电子显微组织图3为实施列中制备的MoNbTaTiVZr高熵合金在不同腐蚀溶液中的极化曲线

具体实施方式：

以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用。

1、MoNbTaTiVZr高熵合金成分设计

本实施方式是一种由Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr六种元素组成的MoNbTaTiVZr高熵合金，其中，Mo:Nb:Ta:Ti:V:Zr的摩尔比依次为1:1:1:1:1:1。

2、MoNbTaTiVZr高熵合金的制备

高熵合金的制备是关键的一个步骤，制备过程如下：

1)原料准备：本发明采用的合金冶炼原料为高纯(纯度在99.5％以上)Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr元素，所用的原材料全部为金属粉末；

2)称重配粉：按照摩尔比例进行精确的称重配比，并将称重之后的粉末材料混合在一起，使用V型混粉机上匀速混合10h；

3)压制成块：将混合好的粉末在冷压机上以200MPa的压力冷压成形，保压时间约为90-120s；

4)熔炼制备高熵合金：①使用非自耗真空电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围四个熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；②对样品室抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度≥99.99％的氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；③真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；④熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；⑤熔炼完成之后，待合金随炉冷却至室温后打开非自耗真空电弧熔炼炉取出样品，最终得到一个椭球状的MoNbTaTiVZr高熵合金铸锭。

3、耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金的组织结构及性能

1)X射线衍射(XRD)测试及相组成分析

利用线切割将获得的铸锭切割成10mm×10mm×4mm尺寸的方形样品，再将样品依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸仔细研磨，研磨后使用抛光机进行抛光。X射线衍射测试在日本理学Rigaku D/Max 2500X射线衍射仪上进行。设备技术规格：使用Cu作为辐射源，石墨单色器，操作电压40kV、电流250mA，自转靶。扫描速率8°/min，选择衍射角范围为2θ＝5-90°。利用MDI-Jade 6.0软件分析实验数据，确定物相。

如图1所示的耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金的XRD测试结果显示：合金的主要组成相为BCC固溶体相及少量的HCP相。

2)显微组织分析

利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再对样品依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸仔细研磨，研磨后使用抛光机进行抛光。用扫描电子显微镜观察试样组织形貌。由图2可知耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金为枝晶组织。

3)显微硬度测定及分析

使用线切割机将铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸对样品仔细研磨，之后进行抛光处理。采用HZr-1000型显微硬度计测试试样的硬度，该显微硬度计的试验力为9.807N(1kgf)，加载15s。试样选取7个不同位置测量其显微硬度，去掉最高硬度值和最低硬度值，取其余硬度值的平均数值作为试样的显微硬度值，最终得到该合金的显微硬度值为502HV。

4)耐腐蚀性能测定及分析

利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸对样品仔细研磨，研磨好后用抛光机进行抛光，抛光后的样品放入酒精中用超声波清洗仪清洗30min，再用去离子水清洗，干燥后将样品与铜导线连接，用硅橡胶对样品进行封装并留出一部分工作面。使用CS350系列电化学工作站及相关仪器进行样品在3.5％NaCl、5％HNO₃和15％HNO₃溶液中的极化曲线测定，测定方法为动电位扫描法，扫描范围-1.5V～2V，扫描速度为1mV/s。

表1实例中耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金在3.5％NaCl、5％HNO₃和15％HNO₃溶液中的腐蚀电流密度(i_corr)和自腐蚀电位(E_corr)

腐蚀溶液	3.5％NaCl	5％HNO<sub>3</sub>	15％HNO<sub>3</sub>
				i<sub>corr</sub>(A/cm<sup>2</sup>)	2.830E-8	1.1360E-6	6.248E-6
E<sub>corr</sub>(Vvs.SCE)	-0.265	-0.668	-0.076

图3所示是耐磨、耐蚀MoNbTaTiVZr高熵合金在3.5％NaCl、5％HNO₃和15％HNO₃溶液经过电化学腐蚀所得到的极化曲线，对其使用Corrview软件进行拟合得到腐蚀电流密度和自腐蚀电位，数据列于表1中。从表1中可以看出合金在各腐蚀溶液中的腐蚀电流密度很小，且腐蚀过后的表面几乎无变化，说明本合金具有优良的耐腐蚀性能。

Claims

1.一种耐磨、耐蚀高熵合金材料，具有BCC+HCP结构的组织，由等摩尔比的Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr六种元素采用真空熔炼制备，其制备方法，特征在于包括以下步骤：

1）将Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr六种金属粉末，按照1:1:1:1:1:1等摩尔比例进行精确的称量配制；

2）将配制好的粉末混合均匀；

3）使用压样机将混合均匀的粉末压制成块；

4）使用非自耗真空电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；

5）对样品室抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度≥99.99%氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2~3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；

6）炉内压力达到半个大气压后便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；

7）熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90~120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

8）熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得所述耐磨、耐蚀高熵合金材料。

2.根据权利要求1所述的耐磨、耐蚀高熵合金材料的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的Mo、Nb、Ta、Ti、V和Zr金属粉末的纯度在99.5%以上。