CN109023000B - 一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金及其制备方法，属于轻质高熵合金材料技术领域，本发明的目的在于提出一种具有优异的冲击韧性性能的轻质高熵合金，采用真空电弧熔炼，利用INSTRON力学实验机和霍普金森压杆分别进行应变率为1×10‑3s‑1的准静态压缩试验和1500 s‑1的动态压缩试验；采用X射线衍射对其进行晶体结构分析，结合能谱分析确定相的成分和分布情况；利用扫描电镜观察试样在破坏断口的微观组织，其断裂模式为脆性断裂模式。本发明的高熵合金为密排六方结构的高熵固溶体相，研究发现其在高应变率情况下材料的屈服强度和塑性均得到提高，材料表现出优异的冲击韧性。

Description

一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于轻质高熵合金材料技术领域，具体涉及一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金及其制备方法。
背景技术
探索新材料是人类永恒的目标之一。传统的探索新材料的主要方法是通过改变和调制化学成分，调制结构、物相和改变结构缺陷来获取新材料。近十几年来，人们发现通过调制材料的“序”或者“熵”，也能获得新材料。2004年，中国学者叶均蔚教授和英国学者cantor教授率先提出“高熵合金”这一崭新的合金发展理念，即不再以一种元素为主要元素，而是由5到13种组元组成，通常设计为等摩尔比，每种组元占有同等地位，各原子含量比重不超过 35%，故高熵合金(HEAs)又被称为多主元合金。此外，北京科技大学的张勇教授是最早对高熵合金的理论与制备技术及应用进行了深入、系统、广泛研究的科研人员之一，他所在的课题组在块体高熵合金、高熵合金薄膜和高熵合金微丝等方面均有前沿性工作。目前，大量的研究结果已经表明高熵合金具有许多优异的综合性能，如高强度大塑性，良好的耐摩擦性、耐腐蚀性和抗氧化性，极高的断裂韧性，潜在的高低温力学性能等。轻质高熵合金由于其质量较轻，在航空航天、交通运输行业以及能源行业具有巨大的潜在研究和利用价值。目前已报道的高熵合金已经很多，但是通过添加Ti和Al元素来降低合金的质量的轻质高熵合金鲜有报道，为了完善这一研究领域，研究人员试图以此为突破点制备和研究新型轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金材料。
高熵效应。众所周知，熵是表示体系混乱程度的物理量，它的大小能够影响体系的热力学稳定性。根据上节熵和系统复杂性关系的玻尔斯曼（Boltzmann）假设可以知道，N种元素以等摩尔比形成固溶体时，形成的摩尔熵变ΔSconf可以通过以下的公式表示：
ΔSconf=-klnW=-R(1/Nln1/N+1/Nln1/N+…1/Nln1/N)=R(1/NlnN+1/NlnN+…1/NlnN) =RlnN，其中，k代表玻尔兹曼常数，W代表混乱度，R为摩尔气体常数：R= 8.3144 J/(mol.K)。
晶格畸变效应。高熵合金具有由多种组元组成的典型固溶体相，且一般认为各元素原子等概率随机占据晶体中的点阵位置，即所有原子无溶质原子与溶剂原子之分，所以其构型熵较高，有可能形成原子级别的应力，因此常常具有特殊性能。关于结构上的晶格畸变，可以用合金所含元素的原子半径差的均方差表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，可以将δ=6.6%作为生成固溶体的判据。
缓慢扩散效应。高熵合金由于多种元素具有不同特性，不同元素之间的相互作用，发挥各自优点，克服缺点，使得高熵合金呈现出复合效应，即“鸡尾酒”效应，最终体现为对合金的宏观性能的影响。
“鸡尾酒”效应。高熵合金中不同的原子之间相互作用及晶格畸变，严重影响了原子的有效扩散速率，而通常相变需要组元之间的协同扩散来达到相分离平衡，因此迟滞扩散效应会影响高熵合金新相的形成。动力学上，传统合金溶质和溶剂原子填补空缺后的键结情形与填补之前相同。高熵合金主要通过空缺机制进行扩散，由于不同原子的熔点大小与键结强弱不同，活动力较强的原子更容易扩散到空缺位置，但元素之间的键结有所差异，一般来说，原子扩散即不断填补空位的过程，若填补空位后能量降低，则原子难以继续扩散，若能量升高，则难以进入空位，所以使得高熵合金固溶体的扩散率与相变速率降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有优异的冲击韧性性能的轻质高熵合金-Ti35Y35Sc20V5Al5合金，使其满足在现代工业中人们对材料冲击性能的要求，使得高熵合金在应用领域取得广泛应用。
本发明采用如下技术方案：
一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金，包括如下原子百分比的组分：Ti：35%，Y：35%，Sc：20%，V：5%，Al：5%，所述轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金为密排六方结构的高熵固溶体相。
一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，按照比例称量Ti、Y、Sc、V和Al金属；
第二步，净化各金属表面氧化物；
第三步，利用高真空电弧熔炼炉在99.99％的高纯度氩气保护下将原料熔炼5次制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中，即成功熔炼成直径为3mm的Ti35Y35Sc20V5Al5新型轻质高熵合金棒；
第四步，将合金棒切割成Φ3×3mm的圆柱形样品，利用金相镶样机将样品镶成尺寸为Φ20×10mm的试样；
第五步，分别使用600、800、1000、1500、2000和3000目的金相砂纸对试样的表面进行粗抛光，然后对试样进行机械抛光。
所述Ti、Y、Sc、V和Al金属的质量浓度均不低于99.9%。
为了说明本发明的轻质高熵合金的性能，利用X射线衍射仪对轻质高熵合金进行晶体结构分析，扫描角度10-90°，扫描速度为3°min-1；
利用能谱分析材料相组成和相分布情况；
利用扫描电镜观察材料断口形貌和微观组织形貌；
利用INSTRON力学实验机和霍普金森压杆分别进行应变率为1×10-3s-1的准静态压缩试验和1500 s-1的动态压缩试验；
本发明的有益效果如下：
本发明在已有的高熵合金设计理念的基础上，通过添加密度较轻的元素来设计材料，相比于Ti6Al4V合金具有相似的成分，因此性能上的提高主要取决于其他元素的添加；新型轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金具有密排六方晶体结构的高熵固溶相；其特点在于相比于传统的高熵合金和Ti6Al4V合金具有较轻的密度、高的比强度；在高应变率动态压缩情况下具有更高的屈服强度和压缩塑性，该合金表现出优异冲击韧性，在交通运输和航空航天结构材料领域具有巨大的潜在应用。
本发明的轻质高熵合金其密度为4.24 g/cm3，小于Ti6Al4V合金（4.4g/cm3），并且有着高比强度，有望替代传统的Ti6Al4V合金。
本发明的轻质高熵合金材料成分为 Ti35Y35Sc20V5Al5，其密度为4.24 g/cm3、准静态压缩屈服强度为1000MPa、动态压缩屈服强度为1500MPa以及其比强度在静态和动态分别为236Nm/g和354Nm/g。
附图说明
图1为本发明制备的轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金铸锭；
图2为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金吸铸棒；
图3为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金的X射线衍射图；
图4为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金形貌点子背散射图片和能谱分析相分布；
图5为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金动态压缩应力应变曲线；
图6为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金准静态压缩应力应变曲线；
图7为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金准静态压缩侧面断口图；
图8为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金准静态压缩的断面微观形貌图；
图9为本发明制备的Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金动态压缩的宏观图。
具体实施方式
本发明依据Ti-6Al-4V钛合金为设计起点，采用高真空非自耗电弧熔炼炉制备出新型轻质高熵合金材料。
选取的Ti、Y、Sc、V和Al五种金属元素，各元素参数见表1所示：
表1 各元素参数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，准备原料，采用的合金冶炼原料为Ti、Y、Sc、V和Al元素，按照摩尔比进行精确称量配比，供熔炼制备合金时使用；
第二步，纯金属的净化，合金制备采用Ti、Y、Sc、V和Al为原料，净化金属表面氧化物；
第三步，利用高真空电弧熔炼炉在99.99％的高纯度氩气保护下将原料熔炼5次制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中，即成功熔炼成直径为3mm的Ti35Y35Sc20V5Al5新型轻质高熵合金棒；
第四步，将合金棒切割成Φ3×3mm的圆柱形样品，利用金相镶样机将样品镶成尺寸为Φ20×10mm的试样；
第五步，分别使用600、800、1000、1500、2000和3000目的金相砂纸对试样的表面进行粗抛光，然后对试样进行机械抛光。
选用的是纯度为99.9wt.％的Ti、Y、Sc、V和Al为原料。图1为制备样品。
对上述材料进行微观表征：
（1）用X射线衍射仪测定合金的晶体结构，扫描角度10°-90°，扫描速度为3°min-1。见图3，通过Jade软件结合PDF卡片对比，分析出材料具有Ti、ScY和Al3Y5三相，其中Ti和ScY为密排六方结构，Al3Y5为斜方钙钛矿结构。利用背散射扫描结合能谱仪（EDS）分析样品不同相的分布情况。见图4，白色区域为Ti相，黑色区域为ScY相，介于黑白之间的是Al3Y5相。不同相的成分见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
合金以Ti相为基体相，ScY相和Al3Y5相为增强相。
对上述制备的合金材料进行力学性能测试：
采用精密线切割机将合金切成Φ3×3mm的圆柱形样品（每组实验制备三个），然后采用INSTRON力学实验机和霍普金森压杆分别进行准静态压缩试验和动态压缩试验，静态压缩和动态压缩的应变率分别为1×10-3 s-1和1500 s-1。采用Origin软件做出静态压缩和动态压缩的应力应变曲线图。图5所示，动态压缩时的屈服强度约为1650 MPa，图6所示，准静态时的屈服强度约为1000 MPa；准静态压缩时材料只有5％的变形量，而动态压缩下材料的变形达到了14％。可见材料在动态压缩下的屈服强度和塑性均得到大幅度提高，材料具有优异的冲击韧性。见图4。
对上述实验后的样品进行形貌表征：
为了进一步分析合金在准静态压缩和动态压缩作用下的巨大差异，采用了扫描电镜（SEM）对准静态压缩下的样品进行了侧面断口和微观形貌表征，如图7和图8。发现合金沿45°方向劈裂破坏，破坏断口为解理断裂，断口面起伏很小，很平缓，为脆性断裂的特征。图9为动态压缩的试样宏观图，样品为压缩成饼状，这也充分证明了材料具有比晶体压缩更大的塑性。
本发明以Ti-6Al-4V合金为设计起点，结合高熵合金的设计理念，通过高真空电弧熔炼炉成功制备出了新型轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金。利用X射线衍射仪结合能谱分析表征出合金Ti、ScY和Al3Y5三个相的分布情况；通过表征材料的力学性能，进行了准静态压缩和动态压缩试验，发现合金在动态压缩下的屈服强度和压缩塑性远远优异于准静态压缩，这表明新型轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金具有优异的抗冲击的能力，这使得新型轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金作为航空航天材料、新能源材料和工程材料中应用成为可能。

Claims (2)

1.一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金，其特征在于：由如下原子百分比的组分组成：Ti：35%，Y：35%，Sc：20%，V：5%，Al：5%，所述轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金为密排六方结构的高熵固溶体相，密度为4.24g/cm3，准静态压缩屈服强度为1000MPa，动态压缩屈服强度为1500MPa，比强度在静态和动态分别为236Nm/g和354Nm/g；所述轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，按照比例称量Ti、Y、Sc、V和Al金属；
第二步，净化各金属表面氧化物；
第三步，利用高真空电弧熔炼炉在99.99%的高纯度氩气保护下将原料熔炼5次制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中，即成功熔炼成直径为3mm的Ti35Y35Sc20V5Al5新型轻质高熵合金棒；
第四步，将合金棒切割成Φ3×3mm的圆柱形样品，利用金相镶样机将样品镶成尺寸为Φ20×10mm的试样；
第五步，分别使用600、800、1000、1500、2000和3000目的金相砂纸对试样的表面进行粗抛光，然后对试样进行机械抛光。
2.根据权利要求1所述的一种轻质Ti35Y35Sc20V5Al5高熵合金，其特征在于：所述Ti、Y、Sc、V和Al金属的质量浓度均不低于99.9%。
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