CN110777273B - 一种提升难熔高熵合金的室温塑性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升难熔高熵合金的室温塑性的方法，涉及金属材料及其制备领域。具体方案为：1)取熔炼合金所需的各组分材料，净化；2)步骤1)得到的材料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空后通入氢气和氩气；3)熔炼，得到室温塑性合金材料。本发明中液态置氢后的合金的室温压缩塑性显著提高，并且合金的屈服强度却没有降低，显微组织得到细化。本发明的方法解决了难熔高熵合金室温塑性差、冷变形能力差的问题的问题，改善了合金的冷态塑性变形极限，实现了难熔高熵合金的强韧化，将为该类合金的工程化应用起到了重要的推动作用。

Description

一种提升难熔高熵合金的室温塑性的方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备领域，具体涉及一种在氢气还原性气氛下熔炼难熔高熵合金从而提升其室温塑性的方法。

背景技术

随着航空航天领域的不断发展，对高温结构材料的需求越来越大，对材料性能的要求也越来越高。多主元高熵合金的合金设计理念为开发性能优异的高温结构材料提供了新的思路。根据高熵合金的设计思路，国内外研究者已制备了一系列难熔的高熵合金，这些合金系的组成元素均为难熔金属元素。通过合理的元素选择，这些合金可以形成简单的相组成，并且高温性能优异。如美国空军研究实验室制备的NbMoTaW和VNbMoTaW难熔高熵合金在800℃以上时其压缩屈服强度均显著高于Inconel 718和Haynes 230两种超合金。而已开发研究的大多数难熔高熵合金的室温塑性均较差，变形极限低，变形抗力大，大大限制了合金的冷态工艺性；此外多主元合金在高温下原子的扩散能力也较低，高温变形抗力也将较大，变形应变速率低。而这些将大大阻碍难熔高熵合金作为高温结构材料的工程应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在开发出一种简单、高效的改善难熔高熵合金的室温塑性，降低合金流变应力和变形温度，提高难熔高熵合金变形极限的方法。本发明在不同比例的氢气和氩气的混合气氛下熔炼难熔高熵合金，在熔炼过程中使难熔高熵合金在液态下吸收氢元素，在合金凝固后，一定量的氢原子将存在于合金，从而实现合金的液态置氢。

本发明的一种提升难熔高熵合金的室温塑性的方法按照以下步骤实现：

1)取熔炼合金所需的各组分材料，净化；2)步骤1)得到的材料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空后通入氢气和氩气；3)熔炼，得到室温塑性合金材料。

步骤2)所述氢气与氩气的体积比为0.1:1，步骤2)所述真空压强为6×10^-3Pa。

步骤2)通入的氩气和氢气纯度均为99.999％，通入氢气和氩气后、熔炼前熔炼室内氢气与氩气的总气压为50KPa。

步骤3)所述熔炼，熔炼的电流为400A。

步骤3)所述熔炼，每次熔炼具体操作为：将电流升至400A，待材料完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼2min，然后关闭电流；待材料冷却后翻转材料，重复上述熔炼操作，上述熔炼操作共进行5次。

步骤1)所述各组分材料，为合金所需各组分元素的单质材料，加料比按目标合金各组分元素质量比或原子比计算。

步骤1)所述净化，具体为：材料表面打磨去除氧化皮，先后使用工业乙醇和丙酮在超声波条件下震荡清洗。

步骤2)所所述材料按照熔点由低到高依次放置到水冷铜坩埚中。

有益效果

本发明中液态置氢后的合金的室温压缩塑性显著提高，并且合金的屈服强度却没有降低，显微组织得到细化。本发明的方法解决了难熔高熵合金室温塑性差、冷变形能力差的问题的问题，改善了合金的冷态塑性变形极限，实现了难熔高熵合金的强韧化，将为该类合金的工程化应用起到了重要的推动作用。

附图说明

图1为未置氢和置氢TiZrNbHf_0.5Mo_0.5合金的压缩应力—应变曲线图；

图2为未置氢和置氢TiZrNbHf_0.5Mo_0.5合金试样压缩后形貌图：(a)主视图，(b)俯视图；

图3为未置氢和置氢TiZrNbHf_0.5Mo_0.5合金显微组织图：(a)对比例1，(b)实施例1。

具体实施方式

实施例1高室温塑性难熔高熵合金的制备(TiZrNbHf0.5Mo0.5)

原料的准备

本实施例采用的合金原材料为纯度在99％以上的Nb、Mo、Ti、Zr、Hf高熔点金属元素。所有材料为块体，用砂纸或砂轮打磨去除材料表面的氧化皮，并放置在工业乙醇中用超声波震荡清洗，随后按照组成元素原子比Nb:Mo:Ti:Zr:Hf＝1:0.5:1:1:0.5，精确称量。

合金的熔炼

本发明采用真空非自耗电弧炉熔炼合金。将配比称量后的原料按照元素熔点由低到高依次放在水冷铜坩埚中，将炉腔抽真空至6×10^-3Pa，向熔炼室内通入纯度均为99.999％的氢气和氩气，氢气和氩气的体积比为1:9。熔炼室内总压力为50KPa。将坩埚中原料熔炼五次，每次熔炼时待合金完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼2min，然后关闭电流，待合金冷却后将其翻转继续下次熔炼，其中，每次熔炼的电流为400A。

对比例1

原料的准备

本实施例采用的合金原材料为纯度在99％以上的Nb、Mo、Ti、Zr、Hf高熔点金属元素。所有材料为块体，用砂纸或砂轮打磨去除材料表面的氧化皮，并放置在工业乙醇中用超声波震荡清洗，随后按照组成元素原子比Nb:Mo:Ti:Zr:Hf＝1:0.5:1:1:0.5，精确称量。

合金的熔炼

本发明采用真空非自耗电弧炉熔炼合金。将配比称量后的原料按照元素熔点由低到高依次放在水冷铜坩埚中，将炉腔抽真空至6×10^-3Pa，向熔炼室内通入纯度均为99.999％氩气。熔炼室内总压力为50KPa。将坩埚中原料熔炼五次，每次熔炼时待合金完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼2min，然后关闭电流，待合金冷却后将其翻转继续下次熔炼，其中，每次熔炼的电流为400A。

实施例4表征：

液态置氢对合金室温压缩性能的评价

(1)室温压缩测试

采用线切割在对比例1、实施例1熔炼制备的合金钮扣锭中部上分别切取

的圆柱试样，用砂纸将圆柱试样的上下端面及侧表面打磨干净。在万能电子试验机Instron-5569上进行室温压缩性能测试，压缩速率为1×10^-3s^-1，试验所得合金的压缩应力-应变曲线如图1所示(Unhydrogenated代表对比例1,Hydrogenated代表实施例1)。与纯氩气条件下制备的合金对比发现，在含10％氢气的还原性气氛中熔炼制备的相同成分的合金TiZrNbHf0.5Mo0.5的室温塑性得到显著提高，并且合金的屈服强度并没有任何的降低。图2为室温压缩变形后试样形貌图((a)代表对比例1,(b)代表实施例1)。该图再次证明了载含氢气还原性气氛下熔炼的合金的室温塑性得到显著提高，在纯氩气气氛下制备的合金压缩后出现明显的开裂甚至是破碎，而10％氢气气氛下熔炼的合金压缩后没有出现开裂的迹象。

显微组织分析

采用线切割在实施例1和对比例1熔炼制备的合金钮扣锭上切取一部分，依次使用60#、180#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的砂纸研磨，随后对试样表面进行抛光，为清晰观察合金组织，用HF：HNO₃：H₂O＝1:1:8(体积比)作为腐蚀液进行腐蚀。利用金相显微镜观察合金组织，如图3所示((a)代表对比例1，(b)代表实施例1)。未置氢和置氢合金均呈现典型的树枝晶组织，但是置氢明显细化了合金组织，并且置氢后试样枝晶间组织的体积分数与未置氢试样相比有所增加，这些结果表明在10％氢气气氛下熔炼将影响合金在熔炼过程中元素的扩散，从而影响合金凝固后元素的分布，对合金性能产生一定的影响。

Claims (5)

1.一种提升难熔高熵合金的室温塑性的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）取熔炼合金所需的各组分材料，净化；所述合金组成元素及其原子比为Nb:Mo:Ti:Zr:Hf=1:0.5:1:1:0.5；

2）步骤1）得到的材料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空后通入氢气和氩气；所述氢气与氩气的体积比为0.1:1；通入的氩气和氢气纯度均为99.999%，通入氢气和氩气后、熔炼前熔炼室内氢气与氩气的总气压为50KPa；

3）熔炼，得到室温塑性合金材料；每次熔炼具体操作为：将电流升至400A，待材料完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼2min，然后关闭电流；待材料冷却后翻转材料，重复上述熔炼操作，上述熔炼操作共进行5次。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述真空压强为6×10^-3Pa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）所述各组分材料，为合金所需各组分元素的单质材料，加料比按目标合金各组分元素质量比或原子比计算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）所述净化，具体为：材料表面打磨去除氧化皮，先后使用工业乙醇和丙酮在超声波条件下震荡清洗。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述材料按照熔点由低到高依次放置到水冷铜坩埚中。

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