CN113088786B

CN113088786B - 一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113088786B
Application number: CN202110348385.0A
Authority: CN
Inventors: 吴玉程; 陈顺华; 秦永强; 李天�; 朱晓勇; 常伟杰
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: CN113088786A

Abstract

本发明公开了一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金及其制备方法，其元素组成包括W、Nb、Mo、Ta、V和Zr，其中W、Nb、Mo、Ta、V和Zr的摩尔比为1:1:1:1:1:0.1～1。本发明的合金具有更高的强度、塑性和硬度，且具有良好的热稳定性，在高温环境中具有巨大的应用潜能。

Description

一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种WNbMoTaVZr系高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是一种新型金属材料，由我国学者叶均蔚第一次提出。与传统合金的设计理念不同，高熵合金由多种主要元素组成，每种元素的摩尔比在5％～35％之间，因为其与众不同的合金成分与设计方式，可以形成成分不同的很多种合金，具有巨大的应用潜能。因为多种不同元素的成分使得高熵合金拥有很高的混合熵，因此该合金倾向于形成固溶体结构而不易形成金属间化合物。由于合金由多种主要金属元素组成，高熵合金也被称为多主元合金。高熵合金具有高强度、高硬度、强耐腐蚀性和抗辐照能力等。目前，高熵合金已经在航空航天和交通运输等领域开始应用。

难熔高熵合金由于其各组成元素熔点高，其高温下也具有较好的力学性能，因此具有成为高温结构材料的潜力。WNbMoTa高熵合金为典型的难熔高熵合金，拥有较好的室温和高温强度，但其在室温下塑性很差，严重影响其作为工程结构材料的应用。因此在此基础上开发同时具有较高强度和较好塑性的难熔高熵合金具有重要意义。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金及其制备方法，旨在使所得合金相比于WNbMoTa高熵合金，硬度、强度、塑性都有所提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金，其元素组成为W、Nb、Mo、Ta、V和Zr，其中W、Nb、Mo、Ta、V和Zr的摩尔比为1:1:1:1:1:0.1～1。

本发明所述WNbMoTaVZr系难熔高熵合金的制备方法，是按如下步骤进行：

步骤1、金属原材料预处理

利用锉刀和砂纸去除高纯W、Nb、Mo、Ta、V和Zr块状原料表面的氧化层，然后将打磨好的原料在酒精中超声清洗，最后将原料取出并风干或吹干；

步骤2、称量

根据所需合金的总质量，并按照各元素的配比，称取各原料；

步骤3、熔炼

步骤31、按照合金中各元素的熔点高低，由低到高依次将各元素的金属原料放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩锅中，在另一个坩埚中放入高纯度钛锭，关闭炉腔；

步骤32、先打开机械泵抽真空至5Pa以下，再打开分子泵抽真空至8×10^-4Pa以下；然后充入高纯氩气至炉腔压力为0.95Mpa；

步骤33、引弧后先熔炼钛锭1-2分钟，充分吸除腔内剩余氧气，然后将电弧移至原料处，熔炼合金直至所有原料融合在一起并维持4-8分钟；

步骤34、利用机械手将合金锭翻转，重复步骤33，如此反复熔炼使合金锭成分均匀，即获得WNbMoTaVZr系难熔高熵合金。

优选的，步骤1中，W、Nb、Mo、Ta、V和Zr块状原料的纯度均不低于99.95％。

优选的，步骤2中，称重时精确至±0.001g。

优选的，步骤31中，所述真空电弧熔炼炉为WK系列真空电弧熔炼炉。

优选的，步骤32中，所述高纯氩气的纯度高不低于99.9％。

优选的，步骤33中，引弧电流为20～30A，熔炼电流为250～300A。

优选的，步骤34中，反复熔炼的次数不少于10次。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明选择W、Nb、Mo、Ta、V和Zr六种难熔元素作为合金组元，熔炼出的合金具有良好的高温力学性能，相比于WNbMoTa高熵合金，常温时该合金具有更高的强度、塑性、硬度，有良好的应用前景。

2、本发明难熔高熵合金的制备方法简单、易行，具有广阔的应用前景。

3、本发明的WNbMoTaVZr系难熔高熵合金，Zr含量相对较低时为单相BCC结构，Zr含量相对较高时为BCC+Zr化合物双相结构。

附图说明

图1为硬度测量点位置示意图；

图2为实施例1中WNbMoTaVZr_0.25合金的XRD图谱；

图3为实施例1中WNbMoTaVZr_0.25合金的压缩应力-应变曲线图；

图4为实施例1中WNbMoTaVZr_0.25合金的DSC曲线；

图5为实施例2中WNbMoTaVZr_1.0合金的XRD图谱；

图6为实施例2中WNbMoTaVZr_1.0合金的压缩应力-应变曲线图；

图7为实施例2中WNbMoTaVZr_1.0合金的DSC曲线；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中高熵合金的成分为WNbMoTaVZr_0.25，其中W、Nb、Mo、Ta、V和Zr的摩尔比为的摩尔比为1:1:1:1:1:0.25。

本实施例WNbMoTaVZr_0.25高熵合金锭的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：金属原材料预处理

利用锉刀和砂纸去除高纯W、Nb、Mo、Ta、V和Zr块状原料表面的氧化层，将打磨好的原料放入含无水乙醇的烧杯中，置于超声清洗机中清洗5分钟，去除金属表面的杂质和污渍；最后将原料取出并用吹风机吹干。

步骤2、称量

根据所需合金的总质量，按照各元素的摩尔比计算各元素所需的质量，用高精密电子天平称取各原料。

步骤3、熔炼

步骤31、按照合金中各元素的熔点高低，由低到高依次将各元素的金属原料放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩锅中，在另一个坩埚中放入高纯度钛锭，关闭炉腔。

步骤32、先打开机械泵抽真空至5Pa以下，再打开分子泵抽真空至8×10^-4Pa以下；然后充入高纯氩气至炉腔压力为0.95Mpa。

步骤33、引弧(引弧电流为25A)后先熔炼钛锭1-2分钟，充分吸除腔内剩余氧气，然后将电弧移至原料处，熔炼合金(熔炼电流为280A)直至所有原料融合在一起并维持6分钟。

步骤34、利用机械手将合金锭翻转，重复步骤33；如此反复熔炼10次使合金锭成分均匀，即获得WNbMoTaVZr_0.25难熔高熵合金。

本实施例所得WNbMoTaVZr_0.25合金的组织结构表征及力学性能测试：

1、利用机械方法从合金锭中制备粉末约0.3g，利用固定靶X射线衍射仪得到合金的X射线衍射图谱，从而分析合金的相结构。

2、从合金锭中利用中走丝线切割机床切割出三个3mm×3mm×6mm长方体压缩试样，将切割后的样品表面依次使用240目、400目、800目、2000目砂纸打磨以去除变质层，将打磨后的样品利用材料电子万能试验机进行压缩实验，获得样品的工程应力应变曲线。

3、从合金锭中利用中走丝线切割机床切割出厚为2mm上下面平行的板材，将切割后的样品表面依次使用240目、400目、800目、2000目砂纸打磨以去除变质层，然后使用机械抛光机进行抛光5分钟，使得待测面光滑平整。使用显微维氏硬度仪测试得到样品的硬度，每个样品沿图1图示方向等距测量六个点。

4、利用机械方法出从合金锭中制备粉末约0.3g，利用同步热分析仪测量并得到合金的DSC曲线。

上述组织结构表征及力学性能测试结果如图2、图3、图4和表1所示。本实施例WNbMoTaVZr_0.25高熵合金晶体结构是单一的体心立方结构，组织结构均匀，无明显气孔及杂质。DSC结果表明，合金在室温至1400℃范围内具有良好的热稳定性。合金的硬度均值为579HV，优于纯钨(硬度320～360HV)和WNbMoTa高熵合金(硬度450HV)。合金的屈服强度达到1518Mpa，压缩塑性为5.8％左右，优于WNbMoTa高熵合金(屈服强度为1211MPa)。

实施例2

本实施例中高熵合金的成分为WNbMoTaVZr_1.0，其中W、Nb、Mo、Ta、V和Zr的摩尔比为的摩尔比为1:1:1:1:1:1。

本实施例WNbMoTaVZr_1.0高熵合金锭的制备方法与实施例1相同。

本实施例所得WNbMoTaVZr_0.25合金的组织结构表征及力学性能测试方法与实施例1相同，测试结果如图5、图6、图7和表1所示。本实施例的WNbMoTaVZr_1.0高熵合金晶体相结构含有体心立方结构和少量Zr化合物，组织结构均匀，无明显气孔及杂质。DSC结果表明，合金在室温至1400℃范围内具有良好的热稳定性。合金的硬度均值为594HV，优于纯钨(硬度320～360HV)和WNbMoTa高熵合金(硬度450HV)。合金的屈服强度达到1627Mpa，压缩塑性为0.9％左右，表现为脆性，优于WNbMoTa高熵合金(屈服强度为1211MPa)。

表1、两实施例所得合金的硬度

以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种WNbMoTaVZr系难熔高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的元素组成包括W、Nb、Mo、Ta、V和Zr，其中W、Nb、Mo、Ta、V和Zr的摩尔比为1:1:1:1:1:0.1~1；所述高熵合金在Zr含量相对较低时为单相BCC结构，Zr含量相对较高时为BCC＋Zr化合物双相结构。

2.一种权利要求1所述WNbMoTaVZr系难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、金属原材料预处理

步骤2、称量

步骤3、熔炼

步骤34、利用机械手将合金锭翻转，重复步骤33；如此反复熔炼使合金锭成分均匀，即获得WNbMoTaVZr系难熔高熵合金。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，W、Nb、Mo、Ta、V和Zr块状原料的纯度均不低于99.95%。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，称重时精确至±0.001g。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤31中，所述真空电弧熔炼炉为WK系列真空电弧熔炼炉。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤32中，所述高纯氩气的纯度不低于99.9%。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤33中，引弧电流为20~30A，熔炼电流为250~300A。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤34中，反复熔炼的次数不少于10次。