CN109518018A - 一种耐磨、耐蚀MnNbTaTiV高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents

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欧阳豪
唐佳毅
肖逸锋
吴靓
欧艳
张乾坤
贾友禄
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Abstract

本发明涉及一种耐磨耐蚀高熵合金材料及其制备方法。MnNbTaTiV高熵合金材料的制备过程如下:(1)按照等摩尔比配制各金属粉末;(2)使用混粉机将粉末混合均匀;(3)将混合好的粉末放入真空干燥箱中干燥(4)将干燥后的粉末在压力机下冷压成型;(5)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MnNbTaTiV高熵合金为单一的BCC结构,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MnNbTaTiV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MnNbTaTiV高熵合金及其制备方法,该合金适用于耐磨和耐蚀领域。
背景技术
传统合金的定义是:由两种或两种以上的金属(或金属与非金属),经过一定的方法所得到的具有金属特性的物质。传统合金的发展经验告诉我们,添加较多种类的合金元素易生成化合物特别是脆性金属间化合物,引起合金脆性增加。此外,这还使得合金的成分和组织结构分析变得困难,所以一般认为合金元素添加的种类越少越好。这使得人们积累了大量以一种或两种主要元素为基体的合金知识,而对包含近于等摩尔比的多种组元的新型合金知之甚少,限制了合金种类向多元化发展的空间。
高熵合金是由上世纪90年代中国台湾学者叶均蔚提出的多组元合金概念,由五种或五种以上主要元素等比例或近似等比例混合(每种元素的摩尔含量在5%~35%之间)构成高熵合金。每一种合金系统均可设计成简单的等摩尔比合金,也可设计成接近等摩尔比的合金。高熵合金不同于传统合金的一大特点是其具有特殊的四大效应。其一,热力学上的高熵效应,熵在热力学上是表征系统混乱度的一个参数,系统的混乱度越大其熵值也越大,一般而言体系越复杂熵值越大,合金的混合熵随着元素种类的增多而增大,系统越稳定。高的混合熵增加了主元之间的相容性,从而避免相的分离而导致金属间化合物的生成,因此,一些化学相容性较好的元素组成的高熵合金趋向于形成简单的固溶体相,甚至是单一相。其二,结构上的晶格畸变效应,高熵合金各元素原子大小种类不同,每一种组元的原子半径都不一样,而且高熵合金每一种原子既可以是溶剂也可以是溶质,从而产生严重的晶格畸变。严重的畸变使得高熵合金具有很好的固溶强化效果,进而获得高的强度和硬度。其三,在动力学方面具有迟滞扩散效应,高熵合金的基体为置换型固溶体相,其相变需要通过各组元原子之间的协同扩散来实现。这种协同扩散和严重的晶格畸变增加了原子扩散的阻力,降低了原子的有效扩散速率,使高熵合金更易于形成过饱和的固溶体和细小的析出相。其四,高熵合金的“鸡尾酒”效应,高熵合金的“鸡尾酒”效应是指源于各元素的基本特性以及它们之间的相互作用使高熵合金呈现出的一种复杂效应。例如,如果使用较多的抗氧化元素,可提高高熵合金的高温抗氧化能力;使用较多耐腐蚀的元素时,高熵合金可表现出优异的耐腐蚀性。
高熵合金作为一种全新的合金体系,具有广阔的应用前景。如具有极高硬度、耐磨性及耐蚀性的高熵合金,可应用于制作耐腐蚀、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。高熵合金因其应用潜力的多样化,面对产业的多样化,具有重要的研究价值和广阔的应用前景,因此制备高性能的MnNbTaTiVZr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耐磨、耐蚀高性能的MnNbTaTiV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MnNbTaTiV,其中,Mn:Nb:Ta:Ti:V的摩尔比依次为: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MnNbTaTiV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Mn、Nb、Ta、Ti、V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、混好的粉末放入真空干燥箱中70℃下干燥10小时;
步骤三、使用压样机将干燥后的粉末压制成圆柱状,厚度2~4mm,供熔料制备合金使用;
步骤四、使用非自耗真空电弧炉熔炼合金,首先用酒精擦拭熔炼槽及炉内壁,然后用吹风机将炉内吹干,此目的是为了保证炉内的清洁,以免混入杂质;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;
步骤五、先抽低真空达到5Pa后,抽高真空达到5×10-3Pa,后冲入高纯度氩气(纯度≥99.99%)达到半个大气压;
步骤六、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;
步骤七、熔炼过程中控制电弧以样品中心沿着样品边缘缓慢做圆周运动,待边缘融化后减小圆周轨迹半径,直至样品全部熔化,每次熔炼合金熔化后,重复1~2次此过程,待合金块冷却后将其翻转,如此重复4次以上,保证原料混合均匀,最终冷却获得铸态合金锭。
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MnNbTaTiV高熵合金,所述高熵合金由BCC相组成,合金组织均匀。
2.MnNbTaTiV高熵合金的显微硬度可达512HV,具有较高的硬度;所述MnNbTaTiV高熵合金在3.5%NaCl、5%HNO3和15%HNO3溶液中腐蚀电流密度极低,具有优异的耐腐蚀性能,有广阔的应用前景。
3.本发明提供了一种耐磨、耐蚀MnNbTaTiV高熵合金的制备方法,采用非自耗真空电弧熔炼炉熔炼进行制备,制备工艺简单,成本低,安全可靠。
附图说明
图1为实施例中制备的MnNbTaTiV高熵合金的扫描电子照片
图2为实施例中制备的MnNbTaTiV高熵合金的X射线衍射图谱
图3为实施列中制备的MnNbTaTiV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法及工艺性能,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、MnNbTaTiV高熵合金成分设计
本实施方式是一种由Mn、Nb、Ta、Ti、V五种元素组成的MnNbTaTiV高熵合金,其中,Mn:Nb:Ta:Ti:V为等摩尔比。
2、MnNbTaTiV高熵合金的制备
具体制备过程如下:
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)Mn、Nb、Ta、Ti、V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12h以上;
3)粉末干燥:将混好的粉末放入真空干燥箱中70℃下干燥10小时;
4)压制成块:将混合好的粉末在冷压机上冷压成形,保压时间约为90-120s;
5)熔炼制备高熵合金:1.用酒精擦拭熔炼炉内壁及熔炼槽,吹风机吹干。2.将圆饼状样品放入熔炼槽中,同时将钛片单独放在一个熔炼槽用以引弧和消耗残余氧气。3.先抽低真空达到5Pa后,抽高真空达到5×10-3Pa,后冲入高纯度氩气(纯度≥99.99%)达到半个大气压。4.开始进行熔炼,钛片用作引弧,并在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍,消耗残余氧气。5.熔炼过程中控制电弧以样品中心为圆心沿着样品边缘缓慢做圆周运动,待边缘融化后减小圆周轨迹半径,直至样品全部熔化。每次熔炼合金熔化后,重复1~2次此过程,待合金块冷却后将其翻转,如此重复4次以上,保证原料混合均匀,冷却后得到纽扣状合金铸锭。
3、MnNbTaTiV高熵合金的组织结构及性能
1)扫描电子显微镜(SEM)测试
用线切割机将金属锭切割成10mm×10mm×4mm尺寸的长方体样品,将样品进行超声波清洗,然后将测试面依次用400#、600#、800#、1000#和1200#砂纸打磨至光滑,进行抛光,进行SEM测试,观察组织形貌。由图1可知,铸态MnNbTaTiV高熵合金为枝晶组织。
2)X射线衍射(XRD)测试及相组成分析
用线切割机将金属锭切割成10mm×10mm×4mm尺寸的长方体样品,将样品进行超声波清洗,然后将测试面依次用400#、600#砂纸打磨至光滑,进行抛光,最后进行XRD测试。
如图2所示的MnNbTaTiV高熵合金的XRD测试结果显示:MnNbTaTiV高熵合金的结构为单一BCC固溶体相。
3)显微硬度测定及分析
使用线切割机将铸锭切割成10mm×10mm×4mm尺寸的方形样品,依次使用400#、600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸对样品仔细研磨,之后进行抛光处理。采用MICRO-586型显微硬度计测试硬度,该显微硬度计的试验力为2N(0.2kgf),加载10s。在试验7个不同位置测试得到7个硬度值,去除最大值和最小值后取其平均值为平均硬度,测得MnNbTaTiV高熵合金的平均硬度为512HV。
4)耐腐蚀性能检测及分析
线切割得到10mm×10mm×4mm的样品经砂纸打磨抛光后放入酒精中用超声波清洗仪清洗30min,再用去离子水清洗,干燥后将样品非工作面与铜导线连接,用环氧树脂对样品进行封装并留出10mm×10mm的工作面。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,扫描速度为0.5mV/s。测得极化曲线如图3所示,由图3拟合得到腐蚀电流密度和自腐蚀电位如表1所示。
表1实例中MnNbTaTiV高熵合金在3.5%NaCl、5%HNO3和15%HNO3溶液中的腐蚀电流密度(icorr)和自腐蚀电位(Ecorr)
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>) 6.4306E-07 2.3725E-06 2.2764E-07
E<sub>corr</sub>(Vvs.SCE) -0.0727 -0.249 0.0257
从表1中可以看出MnNbTaTiV高熵合金在盐及酸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,结合图3可说明本合金具有优异的耐腐蚀性能。

Claims (2)

1.一种耐磨、耐蚀高熵合金材料,其特征在于所述合金成分为MnNbTaTiV,其中Mn:Nb:Ta:Ti:V的摩尔比为1:1:1:1:1,采用的Mn、Nb、Ta、Ti、V冶炼原料为纯度在99.5%以上的粉末状原料。
2.一种耐磨、耐蚀高熵合金材料的制备方法,其特征在于按照以下步骤制备:
1)将Mn、Nb、Ta、Ti、V五种金属粉末,按照1:1:1:1:1等摩尔比例进行精确的称量配制;
2)使用V型混粉机将配制好的粉末混合均匀,混粉时间在12小时以上;
3)将粉末放入真空干燥箱中干燥2小时,干燥温度为70℃;
4)使用压样机将混合均匀的粉末压制成圆柱状,厚度2~4mm;
5)使用非自耗真空电弧炉熔炼合金,首先用酒精擦拭熔炼槽及炉内壁,然后用吹风机将炉内吹干,此目的是为了保证炉内的清洁,以免混入杂质;
6)将块状的样品放置在外围的熔炼槽内,并将纯钛片放置在最中间的熔炼槽内,放置完毕之后关闭炉门;
7)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;
8)炉内压力达到半个大气压后便可开始进行熔炼;钛片用作引弧,并在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍,消耗残余氧气;
9)熔炼过程中为保证原料混合均匀,每次熔炼电弧保持100~140s,熔炼好一面后待合金块冷却将其翻转再次熔炼,如此重复4次以上,最后冷却获得纽扣状铸锭。
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