CN108950351A - 一种耐高温VNbMoTa高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温VNbMoTa高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。该种合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，其中10≤a≤35，20≤b≤45，5≤c≤25，20≤d≤45。所需原料为纯金属钒、铌、钼、钽。将原料去除氧化皮后，放入真空电弧炉进行熔炼，熔炼4～6次后，可获得单相BCC机构的固溶体合金。本发明制备的V_aNb_bMo_cTa_d系高熵合金兼具良好的室温塑性和高温强度，可在1200℃的高温下长期服役，未来可在航空航天、汽车、石油勘探领域内作为高温承载件广泛的应用。

Description

一种耐高温VNbMoTa高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温VNbMoTa高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。

背景技术

高熵合金是指包含四种或四种以上组元，每种组元原子分数在5％～35％之间，且能形成简单结构的新型合金。该种合金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和性能上的“鸡尾酒”效应。与仅包含一种或两种组元的传统合金相比，高熵合金具有高强度、高硬度，良好的耐磨性，高热阻和电阻率等，在结构材料和功能材料领域都具有广阔的应用前景。例如：高强工具刀、耐热耐磨涂层、磨具内衬、硅铜扩散阻挡层、四模式激光陀螺仪等。与非晶材料相比，高熵合金具有良好的室温加工性、使用温度范围更广等，被认为是最近几十年来合金理论的三大突破之一。

目前报道的构成高熵合金组成元素大多集中在Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu和V、Nb、Mo、Ta、W、Hf元素等。由后者构成的高熵合金因熔点较高，又称难熔高熵合金，在高温材料领域应用具有更大的优势。O.N.Senkov等人制备的MoNbTaVW和MoNbTaW系列的高熵合金，在1200℃能够保持超过500MPa的屈服强度，1600℃的高温下仍能保持一定的强度，优于传统的镍基Inconel718和Haynes230高温合金。但含有高熔点的W元素，材料在熔炼过程易产生缺陷，室温压缩变形量仅为3％。密度过高的W元素也使得所制备的上述合金密度超过12g/cm³。为了改善合金的室温塑性，Senkov等人又设计出HfNbTaTiZr合金。该种合金的室温压缩塑性超过50％，但该种合金在超过1000℃的高温下强度不是十分理想。针对这一问题，本发明选优V、Nb、Mo、Ta四种元素，设计出一款新型VNbMoTa系难熔高熵合金。该种高熵合金能够兼具良好的室温塑性和高温强度。另外由于不含有W元素，合金制备过程简单，缺陷少。该种合金未来可在航空航天、汽车、石油勘探领域内作为高温承载件广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温VNbMoTa高熵合金及其制备方法，该合金兼具良好的室温塑性和高温强度V_aNb_bMo_cTa_d的特点，该种合金具有简单体心立方结构，可在1200℃的高温下长期服役。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的高熵合金体系为V_aNb_bMo_cTa_d，所需要的原材料为钒、铌、锆、钛纯金属。采用真空非自耗电弧炉熔炼等工艺进行熔炼，可以获得具有简单体心立方结构的高熵合金。

一种耐高温VNbMoTa高熵合金，所述合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，其中10≤a≤35，20≤b≤45，5≤c≤25，20≤d≤45，且a+b+c+d＝100；

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，a＝b＝c＝d＝25。

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，a＝c＝10,b＝d＝40。

一种耐高温VNbMoTa高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择冶金原料V、Nb、Mo、Ta，采用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用。

步骤二、将步骤一处理过的V、Nb、Mo、Ta金属按照合金表达式V_aNb_bMo_cTa_d换算成质量百分比进行配比，称料。将称量好的原料在超声清洗仪中清洗20分钟。

步骤三、将处理好的原料，按照熔点的高低放入到非自耗高真空熔炼炉铜坩埚中。关闭炉门，打开冷却水，对样品室进行抽真空。当腔体真空度为2.5*10^-3Pa时，停止抽真空，通入浓度为0.05～0.08MPa氩气。

步骤四、开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体。然后对每个坩埚内的V_aNb_bMo_cTa_d合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5～3分钟。在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合。合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。

有益效果

本发明制备的V_aNb_bMo_cTa_d合金，具有简单体心立方相结构，具有良好的室温塑性。所述合金的密度介于9～12g/cm³，可满足不同使用条件的要求。该种合金的室温加工性好，在超过1200℃下仍能保持超过300MPa的强度，在高温承载件上具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金的X射线衍射(XRD)图；

图2为本发明制备的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金的室温压缩应力-应变曲线；

图3为本发明制备的V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金的室温拉伸应力-应变曲线；

图4为本发明制备的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金在1000℃下压缩的应力-应变曲线；

图5为本发明制备的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金在1200℃下压缩的应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

1.合金的成分设计及制备

设计两种不同成分的VNbMoTa系高熵合金：V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀。

耐高温V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀高熵合金均通过下述方法制得：

1、原料选择纯金属V、Nb、Mo、Ta，使用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用。将准备好的纯金属按照表1的各元素的质量分数进行称量。

2、将称量好的原料按照熔点的高低，依次放入非自耗真空熔炼炉内的铜坩埚中。关闭炉门，打开冷却水，开始抽真空，至腔体真空度为2.5*10^-3Pa后停止。开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，保持液态1分钟左右，用来吸收样品室内的残余气体。然后对每个坩埚内的高熵合金进行熔炼，合金保持液态的时间为2分钟。在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合。合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。合金铸锭表面光滑且有金属光泽，无明显氧化皮。

表1 VNbMoTa高熵合金体系的各元素的质量分数

2.合金的组织结构及性能

1)显微结构及相组成分析

利用线切割在纽扣锭中心取出4mm×4mm×4mm试样，将试样依次使用150#、400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸研磨，然后使用CrO₃悬浮抛光液抛光。使用D8-advanced X射线分析仪对样品相结构分析。扫描步长为0.04S^-1，扫描角度为：20°～90°。

XRD衍射峰测试结果如图1所示，所有的合金均为单相BCC结构。多主元合金具有高熵效应，提高了固溶体相的稳定性。且V、Nb、Mo、Ta元素之间的混合焓较低，原子半径差较小(＜5％)，因此并无金属间化合物析出。

2)室温准静态压缩性能

在V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金铸锭中心部位使用线切割取出φ4×6圆柱样品，用车床将圆柱的两个端面加工平整。室温压缩测试在Instron5569电子万能试验机上进行，加载速率为0.36mm/min，测试载荷为4500kg。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温压缩性能。实验所获得的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金的室温压缩工程应力应变曲线如图2所示，准静态压缩性能总结在表2中。可以看出，VNbMoTa系高熵合金与其他高强度高熵合金体系相比，具有较高的压缩强度和塑性。V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅合金压缩屈服强度为1268MPa,最高压缩强度超过2279MPa。V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金压缩试验过程并没有破坏，其屈服强度为920MPa。

表2 VNbMoTaSi高熵合金系室温压缩力学性能

2)室温准静态拉伸性能

将制备得到的V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金使用线切割加工成片状拉伸试样，标距长度为10.16mm，厚度0.9mm。将拉伸试样依次使用150#、400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸研磨。将准备好的拉伸式样在Instron5569电子万能试验机上进行测试，拉伸速率统一为10^-3S^-1,每种合金成分最少选取3个样品进行测试，实验所得V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金的拉伸工程应力-应变曲线如图3所示。V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金的室温屈服强度为890MPa，延伸率达到了4.2％。与其他脆性难熔高熵合金相比，V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金具有良好的加工能力。

4)高温(1000℃，1200℃)压缩性能

将V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金铸锭在中心部位使用线切割取出φ6×9圆柱样品，用车床将圆柱的两个端面加工平整。高温压缩实验在Gleeble-3500热模拟试验机上进行，最大加载载荷为60KN。测试采用铂铑热电偶，合金应变率为10^-3S^-1，合金压缩量设定为50％。加热温度分别设定为1000℃和1200℃，升温速率为5℃/S，保温时间为3min。实验所获得的V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金在1000℃的压缩性能如图4所示，1200℃下的高温压缩性能如图5所示。高温性能详细数据总结在表2

由图4和表3可以看出，在高温下，VNbMoTa系高熵合金软化效果并不十分明显，V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅系合金塑性得到改善。1000℃下V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅和V₁₀Nb₄₀Mo₁₀Ta₄₀合金的屈服强度分别为729MPa和440MPa，在1200℃下，两种合金的屈服强度仍能超过300MPa，能够满足一般高温承载件的强度要求。

2 VNbMoTaSi高熵合金系高温(1000℃，1200℃)压缩力学性能

以上是有关本发明的较佳实施例的说明。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、发明内容以及附图等范围要求的情况下，可以对本发明所作的任何修改、同等替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种耐高温VNbMoTa高熵合金，其特征在于：所述合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，其中10≤a≤35，20≤b≤45，5≤c≤25，20≤d≤45，且a+b+c+d＝100。

2.如权利要求1所述的一种耐高温VNbMoTa高熵合金，其特征在于：所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，a＝b＝c＝d＝25。

3.如权利要求1所述的一种耐高温VNbMoTa高熵合金，其特征在于：所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_d，a＝c＝10,b＝d＝40。

4.制备如权利要求1所述一种耐高温VNbMoTa高熵合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、选择冶金原料V、Nb、Mo、Ta，采用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用；

步骤二、将步骤一处理过的V、Nb、Mo、Ta金属按照合金表达式V_aNb_bMo_cTa_d换算成质量百分比进行配比，称料；将称量好的原料在超声清洗仪中清洗20分钟；

步骤三、将处理好的原料，按照熔点的高低放入到非自耗高真空熔炼炉铜坩埚中；关闭炉门，打开冷却水，对样品室进行抽真空；当腔体真空度为2.5*10^-3Pa时，停止抽真空，通入浓度为0.05～0.08MPa氩气；

步骤四、开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体；然后对每个坩埚内的V_aNb_bMo_cTa_d合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5～3分钟；在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合；合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。