CN110714154B - 一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法，目的在于提供一种具有高强度、高延伸率、低弹性模量的ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法，包含以下步骤：首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置于铜坩埚内抽真空后冲氩气；最后开始熔炼，在不同的条件下反复熔炼4‑10次获得合金铸锭。本发明通过合金元素选择设计了一种新的合金体系，与现有难熔高熵合金相比，使合金的弹性模量降低，力学性能获得显著提升。

Description

一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金突破了传统合金以一种或两种元素为主的限制，将五种或五种以上元素按照每种元素含量在5％-35％之间配制成新型合金。因为合金中金属元素多，元素的混乱度大，合金凝固后不仅不会像传统合金一样形成大量的金属间化合物，反而因为高熵效应促进了元素间的混合，使得多主元高熵合金形成简单的结晶相，即多种元素混乱排列形成体心立方或者面心立方相甚至是非晶相，同时又抑制了脆性的金属间化合物的形成。易形成单一的固溶体相这一特征使得高熵合金表现出优异的性能，相比于传统合金具有明显的组织和性能优势，如高强度、高硬度、延展性好、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点，引起了普遍关注和积极探索。
自高熵合金发现以来，已经报道的典型高熵合金体系主要有叶均蔚等发现的以CoCrCuFeNi为代表的面心立方固溶体结构的合金和张勇等发现的以AlCoCrFeNi为代表的体心立方固溶体结构的合金。2010年，美国空军研究实验室Senkov教授等人首次开发出以Hf、Nb、Ta、Mo、W等高熔点金属元素组成的难熔高熵合金，这类高熵合金具有高强度、优异的耐腐蚀性能、耐磨性能及高温抗氧化性能，在生物医用、航空航天和高温部件等具有很好的应用前景。
纵观以往关于高熵合金的研究，多集中于熔点较低金属组成的合金体系，也有一些研究将高熔点与低熔点金属组合，而对于全部由高熔点元素组成的难熔高熵合金的研究尚少。难熔高熵合金相比于普通高熵合金，通常具有高的强度更优异的高温氧化性、耐腐蚀性等，但塑性均普遍较差，例如NbCrMo0.5Ta0.5TiZr合金室温下压缩屈服强度为1595MPa，但其延伸率仅有5％；MoNbTaW和MoNbTaVW合金，在1600oC下压缩屈服强度依然可达400MPa以上，室温塑性较差，延伸率低于3％。乌克兰低温物理工程研究所Podolskiy等人制备了Ti30Zr25Hf15Nb20Ta10高熵合金，但他们的成分和工艺与本发明不同，放料顺序、熔炼真空度、熔炼电流与时间均有别于本发明，尤其是本发明采用磁搅拌确保熔炼均匀，而Podolskiy等人在合金熔炼时没有采用磁搅拌。201310593871.4、201610248764.1、201710458007.1等专利公开了TiZrNbHf、WNbTaMoV、CrMoNbTiZr几种难熔高熵合金及其制备方法，但其元素组成和制备工艺与本发明不同。本研究发明一种新型ZrTiHfNbTa高熵合金，具有超高强度、高塑性和低弹性模量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度、高延伸率、低弹性模量的ZrTiHfNbTa高熵合金。本发明的目的还在于提供一种能够制备具有很好的生物相容性的ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法。
为实现本发明的目的，采用的技术方案为：
一种ZrTiHfNbTa高熵合金，其成分及摩尔百分比组成为：Zr5.0-40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％。
一种ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法，包括以下步骤
步骤一：按照一种ZrTiHfNbTa高熵合金的成分及摩尔百分比配置原料，其成分及摩尔百分比组成为：Zr5.0-40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％。
步骤二：将原料置于铜坩埚内，再抽真空使真空度达到10-2Pa-10-4Pa，然后冲氩气至0.05MPa。
步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料电流维持100-200A熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼4-10次，最后得到合金锭。
所述原料Zr、Ti、Hf、Nb、Ta的纯度均大于99.9％。
所述原料置于铜坩埚内的自坩埚底部至上顺序为Ta，Nb，Hf，Ti，Zr。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
本发明通过合金元素选择设计了一种新的合金体系，与现有难熔高熵合金相比，使合金的弹性模量降低，力学性能获得显著提升。
附图说明
图1为制备的ZrTiHfNbTa高熵合金显微组织；
图2为制备的ZrTiHfNbTa高熵合金的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法，目的在于提供一种具有高强度、高延伸率、低弹性模量的ZrTiHfNbTa高熵合金和提供一种能够制备具有很好的生物相容性的ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法。
为实现本发明的目的，采用的技术方案为：
一种ZrTiHfNbTa高熵合金，其成分及摩尔百分比组成为：Zr5.0-40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％。
一种ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法，包括以下步骤
步骤一：按照一种ZrTiHfNbTa高熵合金的成分及摩尔百分比配置原料，其成分及摩尔百分比组成为：Zr5.0-40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％。
步骤二：将原料置于铜坩埚内，再抽真空使真空度达到10-2Pa-10-4Pa，然后冲氩气至0.05MPa。
步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料电流维持100-200A熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼4-10次，最后得到合金锭。
所述原料Zr、Ti、Hf、Nb、Ta的纯度均大于99.9％。
所述原料置于铜坩埚内的自坩埚底部至上顺序为Ta，Nb，Hf，Ti，Zr。
进一步描述如下：
本实施例中的ZrTiHfNbTa高熵合金化学成分和摩尔百分比为：Zr 25.0％、Ti25.0％、Hf20.0％、Nb 20.0％、Ta 10.0％。将纯度均大于99.9％的Zr、Ti、Hf、Nb、Ta原料经称量后，按自坩埚底部至上顺序(Ta，Nb，Hf，Ti，Zr)置于铜坩埚内，抽真空，待真空度达到10-4Pa后充入氩气至0.05MPa。熔炼引弧电流为200A，首次熔料维持200A电流熔炼5-6分，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼5-6次，最后得到合金锭。本实施例中的ZrTiHfNbTa高熵合金其室温屈服强度为1180MPa，抗拉强度为3359MPa，延伸率为61％，弹性模量为86GPa。
综上所述，本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法，目的在于提供一种具有高强度、高延伸率、低弹性模量的ZrTiHfNbTa高熵合金及其制备方法，包含以下步骤：首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置于铜坩埚内抽真空后冲氩气；最后开始熔炼，在不同的条件下反复熔炼4-10次获得合金铸锭。本发明通过合金元素选择设计了一种新的合金体系，与现有难熔高熵合金相比，使合金的弹性模量降低，力学性能获得显著提升。

Claims (3)

1.一种ZrTiHfNbTa高熵合金，其特征在于，其成分及摩尔百分比组成为：Zr40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％；或者为：Zr5.0-40.0％、Ti40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％；所述ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按照ZrTiHfNbTa高熵合金的成分及摩尔百分比配置原料；
步骤二：将原料置于铜坩埚内，所述原料置于铜坩埚内的自坩埚底部至上顺序为Ta，Nb，Hf，Ti，Zr，再抽真空使真空度达到10-2Pa-10-4Pa，然后冲氩气至0.05MPa；
步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料电流维持100-200A熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼4-10次，最后得到合金锭。
2.一种ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：按照ZrTiHfNbTa高熵合金的成分及摩尔百分比配置原料，其成分及摩尔百分比组成为：Zr40.0％、Ti5.0-40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％；或者为：Zr5.0-40.0％、Ti40.0％、Hf5.0-35.0％、Nb5.0-35.0％、Ta5.0-30.0％；
步骤二：将原料置于铜坩埚内，所述原料置于铜坩埚内的自坩埚底部至上顺序为Ta，Nb，Hf，Ti，Zr，再抽真空使真空度达到10-2Pa-10-4Pa，然后冲氩气至0.05MPa；
步骤三：引弧电流为50-500A，首次熔料电流维持100-200A熔炼2-20分钟，待合金冷却后将其翻转，从第二次熔炼开始打开磁搅拌，熔炼电流在400-600A，反复熔炼4-10次，最后得到合金锭。
3.根据权利要求2所述的一种ZrTiHfNbTa高熵合金的制备方法，其特征在于，所述原料Zr、Ti、Hf、Nb、Ta的纯度均大于99.9％。
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