CN110343932A - 一种具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金及其制备方法，其中WVTaZrSc难熔高熵合金中各组分按原子百分比构成为：W 27～29％，V 27～29％，Ta 27～29％，Zr 8％，Sc 5～11％。本发明制备出的难熔高熵合金材料组织是单一的体心立方结构，显微组织均匀，相对密度达99.9％以上，显微硬度值518～550Hv，优于纯钨材料(显微硬度320～360Hv)。室温抗压强度2307～2920MPa，屈服强度1665～1813MPa，断裂延伸率22.7～26.5％。
Description
技术领域
本发明涉及一种难熔高熵合金及其制备方法，具体地说是一种具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金及其制备方法。
背景技术
单质形式的钪广泛应用于合金的掺杂，只要加入少量的钪就会使合金的结构和性能发生明显变化。研究发现加入0.2％～0.4％的Sc可使合金材料的高温强度、硬度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。锆作为一种稀有金属，具有优异的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性，在航空航天、军工、核反应、原子能等领域具有非常诱人的开发前景。
高熵合金含有多种主要元素，每种元素介于5～35％之间。传统金属则是以一种元素为主，而高熵合金是多元素共同作用的结果。与传统合金相比，高熵合金表现出更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀、良好的热稳定性等优异特性。目前，多主元高熵合金在多个领域得到应用，如可用作高速切削刀具、油压气压杆、热保护板、涡轮叶片和盘等。随着高熵合金的制备工艺、热处理热加工工艺的日益成熟与完善，必将使高熵合金的到广泛的应用。
目前，高熵合金的制备方法主要有真空熔炼法、粉末冶金法以及电化学沉积法。其中粉末冶金法制备合金显微组织均匀、成分偏析少，原材料利用率达95％，并且能够制备难熔金属材料。放电等离子烧结具有升温速率快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织小均匀，能保持原材料的自然状态等优点，是一种快速、节能、环保的制备难熔高熵合金新技术。
发明内容
本发明提供了一种具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金及其制备方法，通过添加少量的Zr、Sc来改善合金的结构，通过放电等离子烧结制备出具有单一体心立方结构的难熔高熵合金材料，进而提高难熔高熵合金的硬度和强度。
放电等离子烧结具有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、组织均匀、能保持原材料的自然状态、烧结体致密度高的特点，是一种效率高、工艺简单的制备方法。本发明采用机械混粉的方法获得复合粉体，再通过放电等离子烧结制备出硬度、强度等综合性能良好的WVTaZrSc单相难熔高熵合金材料。
本发明具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金，各组分按原子百分比构成为：W 27～29％，V 27～29％，Ta 27～29％，Zr 8％，Sc 5～11％。
本发明具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：混粉
将W、V、Ta、Zr、Sc五种金属粉按照配比量置于滚筒式混合机中，通过机械混合得到复合粉末；
原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，V颗粒尺寸为25微米，Ta颗粒尺寸为25微米，Zr颗粒尺寸为28微米，Sc颗粒尺寸为25微米。W熔点：3410℃；V熔点：1890℃、沸点：3000℃；Ta熔点：2996℃、沸点：5425℃；Zr:熔点：1852℃、沸点：4377℃、Sc:熔点：1541℃、沸点：2836℃。
步骤2：烧结
将步骤1获得的复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，对烧结炉抽真空，随后以100℃/min升温至800℃保温10分钟，控制压强不超过25MPa；随后以100℃/min升温至1500℃保温5分钟，烧结中控制压强不超过50MPa，保温结束后降至室温，降温速率为100℃/min，即得到W-V-Ta-Zr-Sc高熵合金材料。
本发明的有益效果体现在：
本发明中少量Zr、Sc的添加有利于合金单一BCC相结构的形成，通过放电等离子烧结制备出具有单一体心立方结构的难熔高熵合金材料，进而显著提高难熔高熵合金的硬度和强度。本发明制备出的难熔高熵合金材料组织是单一的体心立方结构，显微组织均匀，相对密度达99.9％以上，显微硬度值518～550Hv，优于纯钨材料(显微硬度320～360Hv)。室温抗压强度2307～2920MPa，屈服强度1665～1813MPa，断裂延伸率22.7～26.5％。
附图说明
图1示出了本发明实施例2制备的W-V-Ta-Zr-Sc单相难熔高熵合金的X射线衍射图谱，表明本发明制备合金组织是体心立方单相。
图2示出了本发明实施例2制备的W-V-Ta-Zr-Sc单相难熔高熵合金的扫描电子显微镜图。
图3示出了本发明实施例2制备的W-V-Ta-Zr-Sc单相难熔高熵合金室温的抗压曲线。材料的强度得到显著提高，室温下抗压强度为2920MPa，屈服强度1813MPa，断裂延伸率为26.5％。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金，各组分按原子百分比构成为：W 29％，V29％，Ta 29％，Zr 8％，Sc 5％。
原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，V颗粒尺寸为25微米，Ta颗粒尺寸为25微米，Zr颗粒尺寸为28微米，Sc颗粒尺寸为25微米。
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
1、混粉：将W、V、Ta、Zr、Sc五种金属粉按配比量置于滚筒式混合机中机械混合得到W-V-Ta-Zr-Sc复合粉末；
2、烧结：将W-V-Ta-Zr-Sc复合粉体装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，对烧结炉抽真空，随后以100℃/min升温至800℃保温10分钟，控制压强不超过25MPa；随后以100℃/min升温至1500℃保温5分钟，烧结中控制压强不超过50MPa，保温结束后降至室温，保温结束后以100℃/min降至室温，即得到W-V-Ta-Zr-Sc高熵合金材料。
烧结后高熵合金的晶体结构是单一的体心立方结构，组织形貌较均匀，相对密度可达理论密度的99.2％以上，具有较高的硬度及强度。硬度均值518Hv，优于纯钨材料(显微硬度320～360Hv)，材料的强度得到显著提高，室温下抗压强度为2307MPa，屈服强度1665MPa，断裂延伸率为22.7％。
实施例2：
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金，各组分按原子百分比构成为：W 28％，V28％，Ta 28％，Zr 8％，Sc 8％。
原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，V颗粒尺寸为25微米，Ta颗粒尺寸为25微米，Zr颗粒尺寸为28微米，Sc颗粒尺寸为25微米。
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
1、混粉：将W、V、Ta、Zr、Sc五种金属粉按照配比量置于滚筒式混合机中机械混合得到W-V-Ta-Zr-Sc复合粉末；
2、烧结：将W-V-Ta-Zr-Sc复合粉体装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，对烧结炉抽真空，随后以100℃/min升温至800℃保温10分钟，控制压强不超过25MPa；随后以100℃/min升温至1500℃保温5分钟，烧结中控制压强不超过50MPa，保温结束后降至室温，保温结束后以100℃/min降至室温，即得到W-V-Ta-Zr-Sc高熵合金材料。
烧结后高熵合金的晶体结构是单一的体心立方结构，组织均匀，无明显气孔，相对密度可达理论密度的99.9％以上，具有高的硬度及强度。硬度均值550Hv，优于纯钨材料(显微硬度320～360Hv)，材料的强度得到显著提高，室温下抗压强度为2920MPa，屈服强度1813MPa，断裂延伸率为26.5％。
实施例3：
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金，各组分按原子百分比构成为：W 27％，V27％，Ta 27％，Zr 8％，Sc 11％。
原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，V颗粒尺寸为25微米，Ta颗粒尺寸为25微米，Zr颗粒尺寸为28微米，Sc颗粒尺寸为25微米。
本实施例中WVTaZrSc单相难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
1、混粉：将W、V、Ta、Zr、Sc五种金属粉按照一定比例置于滚筒式混合机中机械混合得到W-V-Ta-Zr-Sc复合粉末；
2、烧结：将W-V-Ta-Zr-Sc复合粉体装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，对烧结炉抽真空，随后以100℃/min升温至800℃保温10分钟，控制压强不超过25MPa；随后以100℃/min升温至1500℃保温5分钟，烧结中控制压强不超过50MPa，保温结束后降至室温，保温结束后以100℃/min降至室温，即得到W-V-Ta-Zr-Sc高熵合金材料。
烧结后高熵合金的晶体结构是单一的体心立方结构，组织比较均匀，晶粒粗大，无明显气孔，相对密度可达理论密度的99.8％以上，具有较高的硬度及强度。硬度均值543Hv，优于纯钨材料(显微硬度320～360Hv)材料的强度得到显著提高，室温下抗压强度为2704MPa，屈服强度1683MPa，断裂延伸率为25.1％。
Claims (4)
1.一种具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金，其特征在于各组分按原子百分比构成为：W 27～29％，V 27～29％，Ta 27～29％，Zr 8％，Sc 5～11％。
2.一种权利要求1所述的具有高强度的WVTaZrSc难熔高熵合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：混粉
将W、V、Ta、Zr、Sc五种金属粉按照配比量置于滚筒式混合机中，通过机械混合得到复合粉末；
步骤2：烧结
将步骤1获得的复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，对烧结炉抽真空，随后升温至800℃保温10分钟，控制压强不超过25MPa；随后升温至1500℃保温5分钟，烧结中控制压强不超过50MPa，保温结束后降至室温，即得到W-V-Ta-Zr-Sc高熵合金材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，原始粉末粒度为：W颗粒尺寸为2微米，V颗粒尺寸为25微米，Ta颗粒尺寸为25微米，Zr颗粒尺寸为28微米，Sc颗粒尺寸为25微米。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤2中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
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