CN110747383B - 一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法，该合金由如下原子百分比组成:钛0.9～1.1；锆0.9～1.1；铪0.9～1.1；铁0.7～0.8；钴0.7～0.8；镍0.7～0.8；铜0.7～0.8；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比。一种以金属间化合物为基的高熵合金的制备方法包括:a、称取；b、放入电弧炉中；c、抽真空；d、用140～160A的电流持续80～100s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼5～7次；e、吸铸，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。发明的有益效果是:具有单相B2晶体结构、较高的热稳定性、良好的屈服强度、抗压强度和高硬度。

Description

一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及高熵合金领域，特别涉及一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法。
背景技术
本发明属于合金材料技术领域，公开了一种以金属间化合物为基的单相TiZrHfFe0.75Co0.75Ni0.75Cu0.75高熵合金的设计及其制备方法。此合金以CoHf形式的B2金属间化合物为基体，其余原子固溶进基体之中，从而兼具了高熵合金的高强度，高硬度以及金属间化合物的高温稳定性，在工程上有着广阔的应用前景。本发明制备的TiZrHfFe0.75Co0.75Ni0.75Cu0.75高熵合金具有优异的力学性能，屈服强度为1.65Gpa，抗压强度为2.52Gpa，硬度达到596HV。在873-1473K 退火处理2小时后，高熵合金相结构未发生改变，同时屈服强度和硬度都有不同程度的上升，证明了此合金具有优异的高温稳定性。
自20世纪90年代高熵合金这一概念被首次提及至今，大量的学者已经对这种新型合金进行了广泛的研究。高熵合金突破了传统合金设计理念，由五种或五种以上元素以接近等原子比构成，各元素之间并无溶质与溶剂之分。由于高熵合金具有非常高的混合熵，常常倾向于形成面心立方或体心立方固溶体，因而最初人们将研究着眼于以固溶体为基的高熵合金，并发现这类高熵合金具有比传统合金更为优良的室温力学性能，如高强度、高硬度、高塑性与耐腐蚀性等。随着研究的深入，高熵合金中析出的强化相被发现能够显著的增加合金强度与抗蠕变性能。后来，原有高熵合金体系不足以满足高温领域的应用，难熔高熵合金应运而生。将Ti、Zr、Hf等难熔元素加入高熵合金体系中，能够大幅提升合金的高温抗软化及抗辐照能力。直至近几年，由固溶体与有序金属间化合物共同组合而成的共晶高熵合金问世，再次将高熵合金性能推向新的高度。
同时，众所周知金属间化合物由于其紧密的金属键和有序结构的存在，通常具有高熔点，耐腐蚀，抗氧化及低密度等优势，如NiAl和TiAl。此外，大量的有序B2金属间化合物如CoZr，CoHf，FeTi，CoTi与NiTi等，也被深入研究，其中FeTi，CoTi，CoZr在储氢材料应用方面有广阔前景，NiTi则可作为形状记忆合金。
若能将上述高熵合金与金属间化合物的优势结合起来，将大幅提升合金的力学性能及高温性能，并帮助解决工业生产中的一些难题。因而，我们提出了一种全新的理念——以金属间化合物为基的高熵合金。
发明内容
本发明的一个目的提供一种以金属间化合物为基的高熵合金，具有单相 B2晶体结构、较高的热稳定性、良好的屈服强度、抗压强度和高硬度。
本发明还有一个目的在于提供一种以金属间化合物为基的高熵合金的制备方法，具有单相B2晶体结构、较高的热稳定性、良好的屈服强度、抗压强度和高硬度。
为实现上述目的，本发明提供一种以金属间化合物为基的高熵合金，该合金由如下原子百分比组成:
钛 0.9～1.1；
锆 0.9～1.1；
铪 0.9～1.1；
铁 0.7～0.8；
钴 0.7～0.8；
镍 0.7～0.8；
铜 0.7～0.8；
其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比。
优选的是，该合金由如下摩尔比组成:钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1:1:1:0.75:0.75:0.75:0.75。
一种用于制备上述任一项所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备方法，包括如下步骤:
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝0.9～1.1:0.9～1.1:0.9～1.1:0.7～0.8: 0.7～0.8:0.7～0.8:0.7～0.8的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块放入电弧炉水冷铜模的熔炼池I中；
c、对电弧炉进行抽真空，将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，然后排出氩气，再将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再次向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用140～160A 的电流持续80～100s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用140～160A的电流持续80～100s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼5～7 次；
e、再将电流加大至340～360A，1～3s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
优选的是，在步骤b中，所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在熔炼池I中。
优选的是，在步骤c中调整真空度的方法为，先打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至1×10-1～3×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达5×10-3～7×10-3Pa。
优选的是，在步骤d之前，还需要去除炉体内残余的氧气，除去残余氧气的方法为，在所述水冷铜模的熔炼池II中放入高纯钛锭，再对炉体进行抽真空，然后将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用140～160A的电流持续80～100s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次，以除去炉体内残余的氧气。
优选的是，所述以金属间化合物为基的高熵合金的屈服强度为1.60～ 1.70Gpa。
优选的是，所述以金属间化合物为基的高熵合金的抗压强度为2.50～ 2.55Gpa。
优选的是，所述以金属间化合物为基的高熵合金的硬度达到590～600HV。
本发明的有益效果是:具有单相B2晶体结构、较高的热稳定性、良好的屈服强度、抗压强度和高硬度。
附图说明
图1为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的XRD图谱。
图2为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的退火XRD图谱。
图3为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的透射电镜图片I。
图4为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的透射电镜图片II
图5为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的透射电镜图片 III。
图6为实施例1制备的以金属间化合物为基的高熵合金的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1:1:1:0.75:0.75:0.75:0.75的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在电弧炉水冷铜模的熔炼池I中，然后将高纯钛锭放入电弧炉水冷铜模的熔炼池II中；
c、对电弧炉进行抽真空，先通过机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，排出氩气，再打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用150A的电流持续90s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次；再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用150A的电流持续90s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用150A的电流持续90s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼6次；
e、再将电流加大至350A，2s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
实施例2
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝0.9:0.9:0.9:0.8:0.8:0.8:0.8的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在电弧炉水冷铜模的熔炼池I中，然后将高纯钛锭放入电弧炉水冷铜模的熔炼池II中；
c、对电弧炉进行抽真空，先通过机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至1×10-1Pa时，打开扩散泵使炉体内的真空度到达7×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，排出氩气，再打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至1×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达7×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用160A的电流持续80s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次；再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用160A的电流持续80s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用160A的电流持续80s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼5次；
e、再将电流加大至340A，3s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
实施例3
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1.1:1.1:1.1:0.7:0.7:0.7:0.7的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在电弧炉水冷铜模的熔炼池I中，然后将高纯钛锭放入电弧炉水冷铜模的熔炼池II中；
c、对电弧炉进行抽真空，先通过机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至3×10-1Pa时，打开扩散泵使炉体内的真空度到达5×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，排出氩气，再打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至3×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达5×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用140A的电流持续100s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次；再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用140A的电流持续100s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用140A的电流持续100s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼7次；
e、再将电流加大至360A，1s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
对比例1
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1:1:1:1.2:1.2:1.2:1.2的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在电弧炉水冷铜模的熔炼池I中；然后将高纯钛锭放入电弧炉水冷铜模的熔炼池II中；
c、对电弧炉进行抽真空，先通过机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，排出氩气，再打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用150A的电流持续90s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次；再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用150A的电流持续90s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用150A的电流持续90s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼6次；
e、再将电流加大至350A，2s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得高熵合金。
对比例2
a、按照钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1:1:1:0.5:0.5:0.5:0.5的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在电弧炉水冷铜模的熔炼池I中；然后将高纯钛锭放入电弧炉水冷铜模的熔炼池II中；
c、对电弧炉进行抽真空，先通过机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充一个大气压的氩气，排出氩气，再打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至2×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达6×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用150A的电流持续90s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次；再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用150A的电流持续90s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用150A的电流持续90s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼6次；
e、再将电流加大至350A，2s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得高熵合金。
数据分析
分别测试所述实施例1-3和对比例1-2制备的高熵合金的抗压强度、屈服强度和硬度，实验结果见表1。
表1
Figure BDA0002310850270000081
Figure BDA0002310850270000091
由表1可以看出，实施例1-3制备的高熵合金在抗压强度、屈服强度和硬度上明显优于对比例1-2。
对实施例1制备的高熵合金进行XRD图谱检测，得图1，由图1可以看出本合金为B2金属间化合物结构；
对实施例1制备的高熵合金进行退火测试，得图2和图6.由图2和图6 可以看出，在873-1473K进行退火热处理后，合金的相结构并未发生明显改变，高温稳定性良好。且873K退火后硬度和屈服强度分别上升了17.8％和 18.2％。直至1473K退火后，由于Fe2Zr的析出，抗压强度和屈服强度更是分别达到了2.73Gpa和2.09Gpa。
对实施例1制备的高熵合金进行高熵合金透射电镜测试，得图3、图4 和图5，从图3、图4和图5可以看出本合金为纳米级合金，具有良好的金相结构。
综上所述，本发明一种以金属间化合物为基的高熵合金，具有良好的屈服强度、抗压强度和高硬度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (9)

1.一种以金属间化合物为基的高熵合金，其特征在于，该合金由如下摩尔比组成:
钛0.9～1.1；
锆0.9～1.1；
铪0.9～1.1；
铁0.7～0.8；
钴0.7～0.8；
镍0.7～0.8；
铜0.7～0.8；
其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；其制备方法为：
a、按照钛:锆:铪:钴:镍:铜＝0.9～1.1:0.9～1.1:0.9～1.1:0.7～0.8:0.7～0.8:0.7～0.8:0.7～0.8的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块放入电弧炉水冷铜模的熔炼池I中；
c、对电弧炉进行抽真空，将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，然后排出氩气，再将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再次向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用140～160A的电流持续熔炼80～100s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用140～160A的电流持续熔炼80～100s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼5～7次；
e、再将电流加大至340～360A，1～3s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
2.如权利要求1所述的以金属间化合物为基的高熵合金，其特征在于，该合金由如下摩尔比组成:钛:锆:铪:铁:钴:镍:铜＝1:1:1:0.75:0.75:0.75:0.75。
3.一种用于制备权利要求1-2中任一项所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
a、按照钛:锆:铪:钴:镍:铜＝0.9～1.1:0.9～1.1:0.9～1.1:0.7～0.8:0.7～0.8:0.7～0.8:0.7～0.8的摩尔比称取钛块、锆块、铪块、铁块、钴块、镍块和铜块；其中,钛、锆和铪元素等摩尔比，铁、钴、镍和铜元素等摩尔比；
b、将称取好的铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块放入电弧炉水冷铜模的熔炼池I中；
c、对电弧炉进行抽真空，将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再向炉体内充入一个大气压的氩气，然后排出氩气，再将炉体内真空度调整至5×10-3～7×10-3Pa，再次向炉体内充入一个大气压的氩气；
d、再将电极移至熔炼池I的上方，用50A的电流引弧，再用140～160A的电流持续熔炼80～100s，冷却后形成合金锭，翻转合金锭，再用140～160A的电流持续熔炼80～100s，冷却后，再次翻转形成的合金锭，重复翻转熔炼5～7次；
e、再将电流加大至340～360A，1～3s后打开吸铸阀将熔化的合金吸入铜模内，待模具冷却后取出，制得所述以金属间化合物为基的高熵合金。
4.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:
在步骤b中，所述铜块、镍块、钴块、铁块、钛块、锆块和铪块按照熔点由低到高依次由下至上放置在熔炼池I中。
5.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:
在步骤c中调整真空度的方法为，先打开机械泵对电弧炉炉体进行抽真空，当炉体内气压降至1×10-1～3×10-1Pa时，再打开扩散泵使炉体内的真空度到达5×10-3～7×10-3Pa。
6.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:
在步骤d之前，还需要去除炉体内残余的氧气，除去残余氧气的方法为，在所述水冷铜模的熔炼池II中放入高纯钛锭，再对炉体进行抽真空，然后将电极移至盛有高纯钛锭的熔炼池II的上方，用50A的电弧去引弧，再用140～160A的电流持续80～100s去熔炼所述高纯钛锭，然后重复一次，以除去炉体内残余的氧气。
7.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:所述以金属间化合物为基的高熵合金的屈服强度为1.60～1.70Gpa。
8.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:所述以金属间化合物为基的高熵合金的抗压强度为2.50～2.55Gpa。
9.如权利要求3所述的以金属间化合物为基的高熵合金的制备 方法，其特征在于:所述以金属间化合物为基的高熵合金的硬度达到590～600HV。
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