CN108277418B - MoNbTaTiHf高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents

MoNbTaTiHf高熵合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高熵合金材料及其制备技术。高熵合金材料成分为MoNbTaTiHf,其中Mo:Nb:Ta:Ti:Hf的摩尔比依次为1:1:1:1:1。其制备方法为:一、超声处理:先后用丙酮溶液和无水乙醇超声清洗Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料、Hf材料;二、称料:按照等摩尔比称量各材料;三、熔炼:使用真空非自耗电极电弧熔炼炉对称量的材料重复熔炼4~5次制备合金。本发明制备的MoNbTaTiHf高熵合金具有单一的体心立方结构,同时具有高硬度和耐腐蚀性强等优点;制备方法简单可靠。

Description

MoNbTaTiHf高熵合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制备方法,具体而言,涉及一种高硬度、耐腐蚀性强的MoNbTaTiHf高熵合金及其制备方法,属于合金材料及其制备技术领域。
背景技术
传统的合金设计理念是以一两种元素为基体,添加少量的其他元素,组成合金,如镁合金、铝合金、不锈钢以及块体非晶合金等。传统的晶体学理论认为,添加过多微量合金元素会导致形成多种金属间化合物和其他复杂组织结构,使得合金的机械性能降低,在实际应用中难以获得应用。随着现今工业工程技术的高速发展,单一材料性能的不足已经成为制约其在工程领域进一步发展的瓶颈。因此研发人员越来越倾向于采用高新技术开发制备高性能的新型材料,研究开发强度、韧性、硬度、耐蚀性等各项性能皆优的新型材料,已成为材料领域发展的主要方向。20世纪90年代,中国台湾学者叶均蔚率先提出了一种新颖的合金设计理念,即多主元合金。所谓多主元合金,即由5种及5种以上主要元素构成,且每种主要元素原子百分比为5%~35%的合金。由于合金的组元种类多且含量都很高,其原子排列混合熵很高,因此这种多主元合金又被称为多主元高熵合金。多主元高熵合金打破了以一种合金元素为基的传统合金设计模式,可通过合金成分优化设计,获得具有显微结构简单化、纳米析出物、非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高硬度、耐磨、高强度、耐腐蚀、耐高温蠕变、耐高温氧化、耐回火软化等优异的性能组合合金,在工业生产中有非常广的应用。本发明制备的MoNbTaTiHf高熵合金具有单一的体心立方结构,表现出高硬度和耐腐蚀性强等优点,对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于开发出具有耐磨性、耐腐蚀性和致密度俱佳的高熵合金——MoNbTaTiHf高熵合金,使其满足在现代工业中人们对材料硬度和耐腐蚀性的要求,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:一种高熵合金材料,成分为MoNbTaTiHf,其中,Mo:Nb:Ta:Ti:Hf的摩尔比依次为1:1:1:1:1。所述高熵合金采用的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料的纯度不小于99.5%,采用原材料的形态均为除粉末状外的片状、块状或大颗粒状。
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MoNbTaTiHf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、将Mo、Nb、Ta、Ti和Hf材料置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超音波震荡器中清洗15~30min,震荡后再倒入乙醇重复相同的步骤一次,然后置于烘干箱中进行烘干,得到的超声处理后的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料。
步骤二、按照所述的组分,称取等摩尔量配比的步骤一得到的Mo、Nb、Ta、Ti、Hf材料;
步骤三、取步骤一中处理过的Ti材料放置在任意一个的水冷铜坩埚中,再将步骤二称量的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次放置在剩余的3~5个水冷铜坩埚中,备用;
步骤四、将熔炼炉内部的真空室抽真空至6.6*10-3Pa,然后充入氩气至0.01Pa,该步骤重复二到三次以清洗真空室;
步骤五、在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛材料在30~50V电压、100~300A电流条件下熔炼2~3次,每次熔炼时间为120s左右,目的是尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽;在相同电压电流条件下熔炼步骤二中称量的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料120s左右,待合金块冷却后将其翻转,重复此操作4~5次,随炉冷却,得到MoNbTaTiHf高熵合金。
本发明的有益效果在于:
1.与传统晶体材料相比,本发明的MoNbTaTiHf高熵合金具有单
一的体心立方结构,合金组织均匀,表现出硬度高和耐蚀性强
的优点,所述高熵合金的显微硬度为715.8HV。应用前景比较
广阔。
2.本发明提供了一种MoNbTaTiHf高熵合金的制备方法,采用
真空非自耗电极电弧炉熔炼合金,制备方法简单可靠。
附图说明
图1为本发明的MoNbTaTiHf高熵合金XRD图谱;
图2为本发明的MoNbTaTiHf高熵合金扫描电子显微镜(SEM)照片;
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、MoNbTaTiHf高熵合金成分设计。
本实施方式中的一种MoNbTaTiHf高熵合金是由Mo、Nb、Ta、Ti和Hf五种元素组成的,其中,Mo:Nb:Ta:Ti:Hf的摩尔比依次为1:1:1:1:1。
2、MoNbTaTiHf高熵合金材料选择。
所述高熵合金采用的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料的纯度不小于99.5%,采用原材料的形态均为除粉末状外的片状、块状或大颗粒状。
3、MoNbTaTiHf高熵合金制备方法。
本实施方式的一种MoNbTaTiHf高熵合金的制备方法,制备步骤如下:
步骤一、将Mo、Nb、Ta、Ti和Hf材料置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超音波震荡器中清洗15~30min,震荡后再倒入乙醇重复相同的步骤一次,然后置于烘干箱中进行烘干,得到的超声处理后的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料。
步骤二、按照所述的组分,称取等摩尔量配比的步骤一得到的Mo、Nb、Ta、Ti、Hf材料;
步骤三、取步骤一中处理过的Ti材料放置在任意一个的水冷铜坩埚中,再将步骤二称量的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次放置在剩余的3~5个水冷铜坩埚中,备用;
步骤四、将熔炼炉内部的真空室抽真空至6.6*10-3Pa,然后充入氩气至0.01Pa,该步骤重复二到三次以清洗真空室;
步骤五、在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛材料在30~50V电压、100~300A电流条件下熔炼2~3次,每次熔炼时间为120s左右,目的是尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽;在相同电压电流条件下熔炼步骤二中称量的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料120s左右,待合金块冷却后将其翻转,重复此操作4~5次,随炉冷却,得到MoNbTaTiHf高熵合金。
4、MoNbTaTiHf高熵合金的组织结构及性能分析
⑴MoNbTaTiHf高熵合金SEM微观组织及XRD分析
利用线切割将获得的高熵合金铸锭切割成5mm×5mm×10mm的长方体试样,将获得的试样依次用不同粒度的砂纸180#、360#、600#、800#、1000#、1200#、1500#和2000#进行研磨,再使用金刚石研磨膏在抛光机进行抛光,得到抛光后的试样,再使用X射线衍射仪(XRD)对抛光后的试样进行相组成分析,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。采用扫描电子显微镜对抛光后的试样进行显微组织观察和成分分析EDS进行分析,主要采用背散射电子成像。
图1所示为MoNbTaTiHf高熵合金的XRD图谱,从图中可以看出,MoNbTaTiHf高熵合金具有单一的体心立方结构,从XRD图谱中分析,MoNbTaTiHf高熵合金并没有形成数目众多的金属间化合物,这主要是由其高混合熵特性决定的。图2所示为MoNbTaTiHf高熵合金背散射电子图像,生成的晶粒呈树枝晶状形态。
⑵MoNbTaTiHf高熵合金的显微硬度测定及分析
将上述抛光后的试样,采用HZr-1000型显微硬度计测试其硬度,该显微硬度计的试验力为9.807N(1kgf),加载15s。试样选取9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该试样的显微硬度值,最终得到该合金的显微硬度值为715.8HV。
⑶MoNbTaTiHf高熵合金的耐蚀性能
利用线切割将获得的高熵合金铸锭切割成5mm×5mm×6mm与5mm×5mm×10mm的长方体试样,将获得的试样依次用不同粒度的砂纸180#、360#、600#、800#、1000#、1200#、1500#和2000#进行研磨,再使用金刚石研磨膏在抛光机进行抛光,得到抛光后的试样。将抛光后的试样放置在容器中,加入无水乙醇,放置在超音波震荡器中清洗15~30min,然后置于50℃烘干箱中进行烘干3~4小时,再进行称量,之后将样品浸入浓度为0.5M H2SO4和0.5MNaOH溶液15天,分析腐蚀前后的重量变化。表现出良好的耐腐蚀性能。
表1 MoNbTaTiHf高熵合金浸泡在0.5M H2SO4和0.5M NaOH溶液15天的质量变化

Claims (2)

1.一种高熵合金材料,其特征在于:所述高熵合金成分为MoNbTaTiHf,其中,Mo:Nb:Ta:Ti:Hf的摩尔比依次为1:1:1:1:1;采用的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料的纯度不小于99.5%,且以上材料的形态均为除粉末状外的片状、块状或大颗粒状;制备步骤如下:
步骤一、将Mo、Nb、Ta、Ti和Hf材料置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超声波震荡器中清洗15~30min,震荡后再倒入乙醇重复相同的步骤一次,然后置于烘干箱中进行烘干,得到超声处理后的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料;
步骤二、按照所述的高熵合金成分,称取等摩尔量配比的步骤一得到的Mo、Nb、Ta、Ti、Hf材料;
步骤三、取步骤一中处理过的Ti材料放置在任意一个水冷铜坩埚中,再将步骤二称量的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次放置在剩余的3~5个水冷铜坩埚中,备用;
步骤四、将熔炼炉内部的真空室抽真空至6.6×10-3Pa,然后充入氩气至0.01Pa,该步骤重复二到三次以清洗真空室;
步骤五、在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛材料在30~50V电压、100~300A电流条件下熔炼2~3次,每次熔炼时间为120s,目的是尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽;在相同电压电流条件下熔炼步骤二中称量的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料120s,待合金块冷却后将其翻转,重复此操作4~5次,随炉冷却,得到MoNbTaTiHf高熵合金。
2.一种高熵合金材料的制备方法,其特征在于:所述高熵合金成分为MoNbTaTiHf,其中,Mo:Nb:Ta:Ti:Hf的摩尔比依次为1:1:1:1:1;采用的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料的纯度不小于99.5%,且以上材料的形态均为除粉末状外的片状、块状或大颗粒状;制备步骤如下:
步骤一、将Mo、Nb、Ta、Ti和Hf材料置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超声波震荡器中清洗15~30min,震荡后再倒入乙醇重复相同的步骤一次,然后置于烘干箱中进行烘干,得到超声处理后的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料;
步骤二、按照所述的高熵合金成分,称取等摩尔量配比的步骤一得到的Mo、Nb、Ta、Ti、Hf材料;
步骤三、取步骤一中处理过的Ti材料放置在任意一个水冷铜坩埚中,再将步骤二称量的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次放置在剩余的3~5个水冷铜坩埚中,备用;
步骤四、将熔炼炉内部的真空室抽真空至6.6×10-3Pa,然后充入氩气至0.01Pa,该步骤重复二到三次以清洗真空室;
步骤五、在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛材料在30~50V电压、100~300A电流条件下熔炼2~3次,每次熔炼时间为120s,目的是尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽;在相同电压电流条件下熔炼步骤二中称量的Mo材料、Nb材料、Ta材料、Ti材料和Hf材料120s,待合金块冷却后将其翻转,重复此操作4~5次,随炉冷却,得到MoNbTaTiHf高熵合金。
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