CN110983145A - 一种抗蠕变性能优异的高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗蠕变性能优异的高熵合金及其制备方法，其组成为Ti30Al25Zr25Nb20，其结构为BCC结构，在晶面(211)有择优取向；该高熵合金具有简单的BCC结构，且各元素分布均匀；本发明的高熵合金当峰值载荷小于或等于8mn时，择优取向和缓慢扩散起着重要作用，提高了抗蠕变性能，并且用连续刚度法测得该高熵合金具有较高的纳米压痕硬度和模量，分别为8.9±0.2GPa和模量158.2±5.2GPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗蠕变性能优异的高熵合金及其制备方法，属于高熵合金材料设计技术领域。
背景技术
20 世纪90年代，中国台湾清华大学叶均蔚教授打破传统的合金设计理念，提出了等物质的量多主元合金的概念，并将其定义为高熵合金。高熵合金的全称是多主元高混乱度合金，是一种超级固溶体，无法区分溶质和溶剂，一般由5 种或5种以上金属或非金属元素组成，以等物质的量比或近等物质的量比组合而成，每种主要元素的原子分数要在5%~35%之间，因此其性能由各个主元共同决定，而之所以称之为高熵合金是因为该种合金具有较高的熵。
块体高熵合金的制备方法有真空熔炼法、机械合金化法、粉末冶金法等，其中真空熔炼法特点是可以熔炼熔点较高的合金，并且对于挥发的杂质和某些气体的除去具有良好的效果；缺点是用真空熔炼法制备的高熵合金，熔炼大块时存在组织成分不均匀，使得高熵合金的性能难以发挥到最优。
高熵合金（HEA）具有以下特点：①高温稳定性好；②低温高韧性；③抗辐照肿胀率；④晶界能和层错能低；⑤缓慢扩散效应。近几年少于五元的高熵合金也被研究，并且由于HEA具有优良的力学性能，因此研究其室温蠕变特性是十分必要的，而室温蠕变特性在室温应力下的工程应用中具有重要的意义。目前对HEAs的蠕变行为研究甚少，对其蠕变行为的研究还远远不够。
发明内容
本发明提供一种抗蠕变性能优异的高熵合金，其组成为Ti30Al25Zr25Nb20，其结构为BCC结构，在晶面（211）有择优取向。
本发明还提供所述抗蠕变性能优异的高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，低熔点组元铝易挥发，增加配比质量的3-5%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入真空电弧炉的铜坩埚中，关上阀门抽真空，然后再充纯度为99.9999%的Ar气，重复两遍；
（3）将步骤（2）充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为180-240A，原材料全部熔化后，调整电流为60-80A，保持1-2分钟后进行冷却，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复5次以上，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到高熵合金材料。
步骤（1）原材料的纯度大于99.95%。
步骤（1）抽真空至机械泵的真空度为5-9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa。
现有研究表明蠕变行为取决于加载状态下的晶界滑动、晶界扩散、晶界旋转和位错爬升，随着加载速率和峰值荷载的增大，蠕变位移增大，蠕变应变率敏感性指数增大，活化体积变小，位错形核越容易，抗蠕变性能变差。本发明高熵合金不同原子间的相互作用和晶格畸变，当高熵合金扩散时，每个空位都被不同种类的原子包围，使得晶格势能相差很大，从而形成高的扩散活化能和慢的扩散速率，因此，当峰值载荷增大，但增大幅度较小时，高扩散活化能会阻碍蠕变，从而导致应变率敏感指数m降低，提高了抗蠕变性能性能，当峰值载荷小于或等于8mn时，择优取向和缓慢扩散起着重要作用，提高了抗蠕变性能。
本发明获得一种抗蠕变性能优异、耐腐蚀良好，硬度强度高的新型高熵合金，并且用连续刚度法测得该高熵合金具有较高的纳米压痕硬度和模量，分别为8.9±0.2GPa和模量158.2±5.2GPa。
附图说明
图1为本发明实施例1高熵合金的XRD衍射图及显微金相图；
图2为本发明实施例1高熵合金SEM图及EDS结果图；
图3为本发明实施例1纳米压痕硬度和模量随峰值载荷的变化图；
图4为本发明实施例1蠕变应变率敏感指数随峰值变化曲线及原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明使用各金属元素的基本信息，以及根据高熵合金设计原则计算的制备得到的高熵合金Ti30Al25Zr25Nb20的原子半径差、熵值、焓值、熔点和Ω，计算结果如下表1、2所示。
表1各种元素的基本信息
表2设计合金的性能参数
注：表2中：δ（%）为原子半径差的均方差；Tm（K）为合金熔点；ΔSmix为混合熵ΔHmix为混合焓；
。
实施例1
一种抗蠕变性能优异的高熵合金Ti30Al25Zr25Nb20，具体制备方法如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，原材料的纯度大于99.95%，低熔点组元铝多加配比质量的3%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Al放在最底层，然后再依次放入Zr、Nb、Ti，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为5Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999%的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
（3）将步骤（2）充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为180A，原材料全部熔化后，调整电流为60A，保持2分钟后进行冷却，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复5次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到高熵合金材料Ti30Al25Zr25Nb20。
图1为本实施例高熵合金的XRD衍射图及显微金相图，由图可知该高熵合金具有单相BCC结构；这与表2的VEC经验参数的预测是一致的，此外，晶体沿晶面(211)择优生长，具有优先取向。
图2为本实施例高熵合金SEM图及EDS结果图，从（b）-（e）可以看出，各组分的分布均匀，图2(a)中随机选取5个点进行EDS点扫描，扫描结果如图2(f)所示，与设计成分基本吻合。
图3为本实施例高熵合金纳米压痕硬度和模量随峰值载荷的变化图；0.5mN/s的加载速率下，本实施例高熵合金的杨氏模量和纳米压痕硬度随着峰值载荷的增加而减小，可以看出，测试合金的纳米压痕硬度随着压入深度的增加而降低，并出现尺度效应，材料表层与内层之间的结构是不同的，表层原子之间的键长比较短，键能就较大，从而引起材料表层的强度较大，尺度效应包括材料表面的氧化、断键导致的局部应变以及能级的偏移，所以随着峰值载荷的增加，压痕深度从外层到内层，材料的强度降低，就表现为硬度值的降低，相同的峰值载荷越大，弹塑性变形较大，在相对较大的载荷作用下，很容易就为位错的扩展打开通道，表现为弹性模量下降，之后用连续刚度法测得该高熵合金的纳米压痕硬度为8.9±0.2GPa和模量为158.2±5.2GPa。
图4为本实施例蠕变应变率敏感指数随峰值变化曲线及原理图，从图中可以看出随着峰值荷载的增大，蠕变位移增大，应变率敏感指数先减小后增大，这是由于本实施例的高熵合金扩散时，每个空位都被不同种类的原子包围，使得晶格势能相差很大，从而形成高的扩散活化能和慢的扩散速率，因此，如图（b）中间的红色原子代表空位原子，在一定的外力作用下，要使得其他原子扩散至空位原子处，结构规则排列的晶体（图（b）左）阻力小于高熵合金的类晶体模型（图（b）右），所以扩散缓慢导致高扩散活化能会阻碍蠕变，因此，当峰值载荷增大，但增大幅度较小时，本实施例的高熵合金的择优晶粒取向和缓慢扩散效应会导致应变率敏感性指标m降低，从而提高高熵合金的抗蠕变性能。
实施例2
一种抗蠕变性能优异的高熵合金Ti30Al25Zr25Nb20，具体制备方法如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，原材料的纯度大于99.95%，低熔点组元铝多加配比质量的4%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Al放在最底层，然后再依次放入Zr、Nb、Ti，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为6Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999%的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
（3）将步骤（2）充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为240A，原材料全部熔化后，调整电流为80A，保持1分钟后进行冷却，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复6次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到高熵合金材料Ti30Al25Zr25Nb20。
实施例3
一种抗蠕变性能优异的高熵合金Ti30Al25Zr25Nb20，具体制备方法如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，原材料的纯度大于99.95%，低熔点组元铝多加配比质量的5%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Al放在最底层，然后再依次放入Zr、Nb、Ti，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999%的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
（3）将步骤（2）充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为200A，原材料全部熔化后，调整电流为70A，保持1.5分钟后进行冷却，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复8次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到高熵合金材料Ti30Al25Zr25Nb20。
Claims (4)
1.一种抗蠕变性能优异的高熵合金，其特征在于，其组成为Ti30Al25Zr25Nb20，结构为BCC结构，在晶面211有择优取向。
2.权利要求1所述抗蠕变性能优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，低熔点组元铝易挥发，增加配比质量的3-5%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入真空电弧炉的铜坩埚中，关上阀门抽真空，然后再充纯度为99.9999%的Ar气，重复两遍；
（3）将步骤（2）充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为180-240A，原材料全部熔化后，调整电流为60-80A，保持1-2分钟后进行冷却；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复5次以上，得到高熵合金材料。
3.根据权利要求2所述抗蠕变性能优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）原材料的纯度大于99.95%。
4.根据权利要求2所述抗蠕变性能优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）抽真空至机械泵的真空度为5-9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |
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