CN112941397A - 一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金及其加工工艺，其特征在于：该合金各组分元素主要为：Al、Ti和V，按原子百分比为Al含量10at.%‑60at.%，Ti含量15at.%‑50at.%，V含量15at.%‑45at.%，杂质总含量0.01at.%‑0.05at.%。本发明通过采用真空感应+真空自耗制备合金铸锭，然后对铸锭进行包套退火热处理和等温拔长以及时效处理，制备出的新型轻质高强Al‑Ti‑V中熵合金制品组织和力学性能均匀，材料纯净度高，在加工过程中不易产生开裂等问题。

Description

一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金及其加工工艺，属于金属材料技术领域。

背景技术

随着新一代航空航天飞行器的快速发展，对发动机、热防护系统等用金属结构材料的要求不断提高，进一步降低重量、提高结构效率是先进飞行器的重要发展方向。钛及其合金由于具有低密度，良好的抗蠕变性、极强的耐腐蚀性和相对强度优势，在航空航天，海洋工程和运输等一些重要行业中均有应用。但由于使用温度不高，中等温度下强度较低，因此，限制了其使用范围。具有更高使用温度和低密度的中熵合金在近年来引起了广泛关注，可形成简单固溶体减少复杂相，且不同元素带来理化性能的鸡尾酒效应，使得其具有优良的强度与塑性、高温稳定性和耐蚀性等，另外低密度可节约能源降低成本。低密度耐高温中熵合金可广泛用于航空发动机的隔板、热区蒙皮和高性能涡轮盘，也可应用到新一代战略导弹和大推力火箭发动机动力装置中。

随着中熵合金的发展和轻量化急切需求，制备低密度中熵合金制品的要求越来越迫切。但是，大部分中熵合金由于具有本征脆性，导致其可加工性差，制品加工窗口非常窄，在热塑性变形过程中容易发生不均匀变形，从而导致变形试样表面开裂，成品率低。而包套拔长是一种高效、简易、对设备要求不高的热加工工艺，是目前国内各类难变形合金拔长变形最有效的手段。经包套包裹合金拔长变形，可以减少合金在变形过程中热量的散失，防止变形过程中的高温氧化，保持合金各部分等温，变形均匀。因此采用包套退火热处理及拔长技术制备Al-Ti-V 中熵合金制品，可防止高温氧化产生裂纹，促进显微组织均匀、细化，从而可提高Al-Ti-V 中熵合金的可加工性。经此工艺制备的制品，有望替代高密度高温合金和钛铝基合金应用于新型发动机关键结构部件，对发展新一代战略导弹和大推力火箭发动机动力装置等军用装备有重要意义。

发明内容

针对上述技术背景，本发明的目的是制备一种高温力学性能优异的新型轻质中熵合金并实现其制品加工工艺。本发明通过采用真空感应+真空自耗双真空两联法制备铸锭，对铸锭包覆后进行退火热处理，再等温拔长并时效热处理，最终获得高强韧均质的新型轻质中熵合金制品。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金，该合金各组分元素主要为：Al、Ti和V，按原子百分比为Al含量10at.%-60at.%，Ti含量为15at.%-50at.%，V含量10at.%-45at.%，杂质总含量0.01at.%-0.05at.%。

一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金的加工工艺，包括如下步骤：

步骤一：真空感应+真空自耗双真空两联法制备铸锭，按上述质量百分比控制合金成分，在熔炼过程中通过电磁搅拌使合金元素均匀化，改善成分偏析现象；

步骤二：采用厚度为2-5mm的纯钛对铸锭进行包覆，然后在800-1300℃保温2-12h包套退火，退火结束后采用空冷，可释放应力，增加材料韧性；

步骤三：包套热处理后在大于800吨油压机上进行等温拔长，拔长温度1000-1250℃，拔长比大于2，随后空冷；

步骤四：拔长制品进行100-600℃保温2-24h时效热处理，而后空冷，获得高强韧均质的新型轻质中熵合金制品。

采用上述技术方案的有益效果是：

本发明通过采用真空感应+真空自耗制备合金铸锭，然后对铸锭进行包套退火热处理和等温拔长以及时效处理，制备出的新型轻质高强Al-Ti-V中熵合金制品组织和力学性能均匀，材料纯净度高，在加工过程中不易产生开裂等问题。

附图说明

图1为本发明具有高温力学性能优异的轻质中熵合金的加工工艺流程图。

图2为实施案例一Al-Ti-V中熵合金铸锭经1000℃退火2h的金相照片。

图3为实施案例二等温拔长Al-Ti-V中熵合金制品的金相照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

一种高温性能优异的新型轻质Al-Ti-V中熵合金制品的制备方法，工艺路线包括真空感应熔炼、包套退火热处理、等温拔长及时效热处理，具体如下：

1、采用30Kg真空感应炉熔炼浇注Al-Ti-V中熵合金电极棒，随后采用真空自耗炉将电极棒熔炼为铸锭；

2、采用厚度为3mm的纯钛对铸锭进行包覆，然后在900℃保温6h进行退火热处理，而后空冷；

3、包套热处理后，在大于800吨油压机上进行等温拔长，拔长温度1200℃，拔长比为2.5，而后空冷；

4、将拔长制品在500℃保温2h进行时效热处理，而后空冷；

5、取样检测合金硬度和金相组织。

经测试，通过上述方法制备Al-Ti-V中熵合金制品，制品不同位置的维氏硬度均在534-538HV，在900℃条件下强度为1050MPa，制品表面应变分布均匀，组织均匀细小，拔长过程无开裂等问题。

实施例二：

1、采用30Kg真空感应炉熔炼浇注Al-Ti-V中熵合金电极棒，随后采用真空自耗炉将电极棒熔炼为铸锭；

2、采用厚度为3mm的纯钛对铸锭进行包覆，然后在1000℃保温2h进行退火热处理，而后空冷；

3、包套铸锭退火热处理后，取下包套，将试样在800吨油压机上进行等温拔长，拔长温度1000℃，拔长比为2，而后空冷；

4、将拔长制品在200℃保温6h进行时效热处理，而后空冷；

5、取样检测合金硬度和金相组织。

经测试，通过上述方法制备Al-Ti-V中熵合金制品，制品不同位置的维氏硬度均在551-556HV，在900℃条件下强度为1100MPa，晶粒度和微观组织基本相同，拔长过程无开裂等问题。

Claims (2)

1.一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金，其特征在于，该合金各组分元素主要为：Al、Ti和V，按原子百分比为Al含量10at.%-60at.%，Ti含量15at.%-50at.%，V含量15at.%-45at.%，杂质总含量0.01at.%-0.05at.%。

2.一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金的加工工艺，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一：真空感应+真空自耗双真空两联法制备铸锭，按上述质量百分比控制合金成分，在熔炼过程中通过电磁搅拌使合金元素均匀化，改善成分偏析现象；

步骤二：采用厚度为2-5mm的纯钛对铸锭进行包覆，然后在800-1300℃保温2-12h包套退火，退火结束后采用空冷，可释放应力，增加材料韧性；

步骤三：包套热处理后在大于800吨油压机上进行等温拔长，拔长温度1000-1250℃，拔长比大于2，随后空冷；

步骤四：拔长制品进行100-600℃保温2-24h时效热处理，而后空冷，获得高强韧均质的新型轻质中熵合金制品。

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