CN113337766A - 一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金及其在含能结构材料中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低密度Ti‑Zr‑Ta中熵合金及其在含能结构材料中的应用，该中熵合金为单相固溶体结构，由金属元素Ti、Zr和Ta组成，元素Ti的摩尔分数为50～60％，元素Ta的摩尔分数为20～30％，其余为元素Zr。Ti、Zr和Ta都是易氧化的活性金属，同时本发明的中熵合金具有简单的单相固溶体结构，Ti、Zr和Ta之间的金属键结合较弱，在高速冲击、破碎的过程中，Ti、Zr、Ta金属元素会优先与O发生氧化反应，从而使中熵合金表现出优异的释能效果。本发明的中熵合金能量释放量达到977.85～1423.88J/g，压缩断裂强度1246～1735MPa，压缩断裂变形率为21.28～40.11％，可很好的应用在含能结构材料中。

Description

一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金及其在含能结构材料中的应用
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其是一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金及其在含能结构材料中的应用。
背景技术
高熵合金具有高强度-高塑性、耐磨、优异的高温以及低温力学性能，但由于其理论混合熔点较高，并且组元间存在温度跨度很大的液固两相区，使得合金的大尺寸熔铸成型十分困难。
中熵合金是近年来在非晶合金和高熵合金的基础上提出的具有广阔应用前景的新型金属材料，但现有研究者大多只关注了中熵合金作为生物医用材料、记忆合金和超导体的应用潜力。
发明内容
本发明提供一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金及其在含能结构材料中的应用，用于克服现有技术中大尺寸熔铸成型十分困难、以及应用受局限等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，所述中熵合金为单相固溶体结构，由金属元素Ti、Zr和Ta组成，元素Ti的摩尔分数为50～60％，元素Ta的摩尔分数为20～30％，其余为元素Zr；
所述中熵合金的密度为7.330～8.249g/cm3，理论熔点为1974～2077℃，压缩断裂强度1246～1735MPa，压缩断裂变形率为21.28～40.11％，能量释放量为977.85～1423.88J/g。
为实现上述目的，本发明还提出一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金在含能结构材料中的应用，以上述所述的中熵合金为原料制备含能破片。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金为单相固溶体结构，由金属元素Ti、Zr和Ta组成，元素Ti的摩尔分数为50～60％，元素Ta的摩尔分数为20～30％，其余为元素Zr。Ti、Zr和Ta都是易氧化的活性金属，同时本发明的中熵合金具有简单的单相固溶体结构，Ti、Zr和Ta之间的金属键结合较弱，在高速冲击、破碎的过程中，Ti、Zr、Ta金属元素会优先与O发生氧化反应，从而使中熵合金表现出优异的释能效果。本发明的中熵合金能量释放量达到977.85～1423.88J/g，压缩断裂强度1246～1735MPa，压缩断裂变形率为21.28～40.11％，可很好的应用在含能结构材料中。
2、本发明提供的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金的密度为7.330～8.249g/cm3，相比高密度难熔高熵合金，Ti-Zr-Ta中熵合金在相同质量下可具有更大的体积，故可实现更大的装药量。
3、本发明提供的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金的理论熔点为1974～2077℃，相比其他难熔高熵合金，具有较低的熔点，而且具有很窄的液固两相区，故可解决含能结构材料大尺寸成型问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1提供的Ti2Zr0.5Ta的X射线衍射图谱；
图2为实施例2提供的Ti2ZrTa0.75的X射线衍射图谱；
图3为实施例3提供的Ti3ZrTa的X射线衍射图谱；
图4为以实施例1提供的Ti2Zr0.5Ta为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线；
图5为以实施例2提供的Ti2ZrTa0.75为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线；
图6为以实施例3提供的Ti3ZrTa为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线；
图7为实施例1～3提供的Ti2Zr0.5Ta、Ti2ZrTa0.75和Ti3ZrTa的压缩工程应力-应变曲线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，所述中熵合金为单相固溶体结构，由金属元素Ti、Zr和Ta组成，元素Ti的摩尔分数为50～60％，元素Ta的摩尔分数为20～30％，其余为元素Zr；
所述中熵合金的密度为7.330～8.249g/cm3，理论熔点为1974～2077℃，压缩断裂强度1246～1735MPa，压缩断裂变形率为21.28～40.11％，能量释放量为977.85～1423.88J/g。
优选地，所述中熵合金为Ti2Zr0.5Ta，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为57.14％、14.29％和28.57％。
优选地，所述中熵合金Ti2Zr0.5Ta的密度为8.249g/cm3，理论熔点为2077℃，压缩断裂强度1593MPa，压缩断裂变形率为40.11％，能量释放量达到977.85J/g。
优选地，所述中熵合金为Ti2ZrTa0.75，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为53.33％、26.67％和20％。
优选地，所述中熵合金Ti2ZrTa0.75的密度为7.443g/cm3，理论熔点为1986℃，压缩断裂强度1735MPa，压缩断裂变形率为30.77％，能量释放量达到1423.88J/g。
优选地，所述中熵合金为Ti3ZrTa，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为60％、20％和20％。
优选地，所述中熵合金Ti3ZrTa的密度为7.330g/cm3，理论熔点为1974℃，压缩断裂强度1246MPa，压缩断裂变形率为21.28％，能量释放量达到1188.30J/g。
优选地，所述中熵合金采用电弧熔炼法制备而成。
本发明还提出一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金在含能结构材料中的应用，以上述所述的中熵合金为原料制备含能破片或其他结构部件。其他结构部件包括战斗部壳体等。
优选地，所述含能破片产生的准静态超压峰值为0.091～0.119MPa。
实施例1
本实施例提供一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，该中熵合金为Ti2Zr0.5Ta，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为57.14％、14.29％和28.57％。
本实施例提供的Ti2Zr0.5Ta采用真空电弧熔炼法制备。
本实施例提供的Ti2Zr0.5Ta的密度为8.249g/cm3，理论熔点为2077℃，压缩断裂强度1593MPa，压缩断裂变形率为40.11％，能量释放量达到977.85J/g。
图1为本实施例提供的Ti2Zr0.5Ta的X射线衍射图谱，由图可知，该Ti2Zr0.5Ta具有单一的体心立方(BCC)固溶体结构，实现了三种元素的固溶。
本实施例中，以Ti2Zr0.5Ta为原料制备得到Φ10×10mm含能破片。图4为以Ti2Zr0.5Ta为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线，由图可知，该含能破片产生的准静态超压峰值达到了0.091MPa，即能量释放量达到977.85J/g。
实施例2
本实施例提供一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，该中熵合金为Ti2ZrTa0.75，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为53.33％、26.67％和20％。
本实施例提供的Ti2ZrTa0.75采用真空电弧熔炼法制备。
本实施例提供的Ti2ZrTa0.75的密度为7.443g/cm3，理论熔点为1986℃，压缩断裂强度1735MPa，压缩断裂变形率为30.77％，能量释放量达到1423.88J/g。
图2为本实施例提供的Ti2ZrTa0.75的X射线衍射图谱，由图可知，该Ti2ZrTa0.75具有单一的体心立方(BCC)固溶体结构，实现了三种元素的固溶。
本实施例中，以Ti2ZrTa0.75为原料制备得到Φ10×10mm含能破片。图5为以Ti2ZrTa0.75为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线，由图可知，该含能破片产生的准静态超压峰值达到了0.119MPa，即能量释放量达到1423.88J/g。
实施例3
本实施例提供一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，该中熵合金为Ti3ZrTa，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为60％、20％和20％。
本实施例提供的Ti3ZrTa采用真空电弧熔炼法制备。
本实施例提供的Ti3ZrTa的密度为7.330g/cm3，理论熔点为1974℃，压缩断裂强度1246MPa，压缩断裂变形率为21.28％，能量释放量达到1188.30J/g。
图3为本实施例提供的Ti3ZrTa的X射线衍射图谱，由图可知，该Ti3ZrTa具有单一的体心立方(BCC)固溶体结构，实现了三种元素的固溶。
本实施例中，以Ti3ZrTa为原料制备得到Φ10×10mm含能破片。图6为以Ti3ZrTa为原料制备的Φ10×10mm含能破片在1200m/s侵彻速度下入射27L装甲钢靶箱所产生的压力变化曲线，由图可知，该含能破片产生的准静态超压峰值达到了0.096MPa，即能量释放量达到1188.3J/g。
图7为实施例1～3提供的Ti2Zr0.5Ta、Ti2ZrTa0.75和Ti3ZrTa的压缩工程应力-应变曲线，由图可知，实施例1～3的中熵合金均具有良好的力学性能。压缩强度均高于1200MPa，且断裂应变均高于20％，可满足含能结构材料对于材料力学性能的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金为单相固溶体结构，由金属元素Ti、Zr和Ta组成，元素Ti的摩尔分数为50～60％，元素Ta的摩尔分数为20～30％，其余为元素Zr；
所述中熵合金的密度为7.330～8.249g/cm3，理论熔点为1974～2077℃，压缩断裂强度1246～1735MPa，压缩断裂变形率为21.28～40.11％，能量释放量为977.85～1423.88J/g。
2.如权利要求1所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金为Ti2Zr0.5Ta，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为57.14％、14.29％和28.57％。
3.如权利要求2所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金Ti2Zr0.5Ta的密度为8.249g/cm3，理论熔点为2077℃，压缩断裂强度1593MPa，压缩断裂变形率为40.11％，能量释放量达到977.85J/g。
4.如权利要求1所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金为Ti2ZrTa0.75，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为53.33％、26.67％和20％。
5.如权利要求4所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金Ti2ZrTa0.75的密度为7.443g/cm3，理论熔点为1986℃，压缩断裂强度1735MPa，压缩断裂变形率为30.77％，能量释放量达到1423.88J/g。
6.如权利要求1所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金为Ti3ZrTa，金属元素Ti、Zr和Ta的摩尔分数分别为60％、20％和20％。
7.如权利要求6所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金Ti3ZrTa的密度为7.330g/cm3，理论熔点为1974℃，压缩断裂强度1246MPa，压缩断裂变形率为21.28％，能量释放量达到1188.30J/g。
8.如权利要求1～7任一项所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金，其特征在于，所述中熵合金采用电弧熔炼法制备而成。
9.一种低密度Ti-Zr-Ta中熵合金在含能结构材料中的应用，其特征在于，以权利要求1～8任一项所述的中熵合金为原料制备含能破片或其他结构部件。
10.如权利要求9所述的低密度Ti-Zr-Ta中熵合金在含能结构材料中的应用，其特征在于，所述含能破片产生的准静态超压峰值为0.091～0.119MPa。
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