CN113403520B - 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 - Google Patents
一种三元难熔中熵合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113403520B CN113403520B CN202110674549.9A CN202110674549A CN113403520B CN 113403520 B CN113403520 B CN 113403520B CN 202110674549 A CN202110674549 A CN 202110674549A CN 113403520 B CN113403520 B CN 113403520B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- entropy alloy
- ternary
- smelting
- medium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
- B22D18/06—Vacuum casting, i.e. making use of vacuum to fill the mould
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
Abstract
本发明公开了一种三元难熔中熵合金及其制备方法,涉及新型金属材料技术领域。中熵合金成分为TiaVbHfc,其中a、b、c分别代表对应各元素的摩尔百分比,a=30‑60at%,b=5‑35at%,c=30‑35at%。本发明提供了一种三元难熔中熵合金及其制备方法。该合金具有简单体心立方结构,兼具良好的室温拉伸塑性和强度,弥补了现有技术存在的不足,满足高性能金属结构材料的需要,并为BCC中熵合金提供新的成分选择,从而使得其具有较大应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及新型金属材料技术领域,具体为一种三元难熔中熵合金及其制备方法。
背景技术
近年来,高/中熵合金突破了“单主元成分设计”的传统合金设计理念,是以构型熵为主设计的多主元的新型金属材料,其优异的物理化学性能吸引了广泛的关注。与传统合金不同,中熵合金是多种主元共同作用的结果,而非单一的体现出某种元素的特点,易于形成固溶体相,如简单的体心立方(BCC)或面心立方(FCC)相。难熔高中熵合金(熔点达2123K以上)主要由第ⅣB(Ti、 Zr、Hf)、ⅤB(V、Nb、Ta)及ⅥB(Cr、Mo、W)族金属元素组成,且以体心立方(BCC)结构的金属元素为主,因而难熔中熵合金多为单相的BCC固溶体相或以BCC固溶体相为主。一般定义中熵合金为包含5种以上组成元素,或者混合熵在≥-1.6R的合金。难熔中熵合金具有高熔点、高硬度、耐蚀性和优异的高温强度等优势,其应用温度高达1373-1593K,比传统的高温合金如 Inconel 718合金等要高得多,与镍基高温合金和不锈钢相比具有较低的弹性模量和比模量,在航空航天(涡轮、发动机叶片)、核工业及生物医学等领域拥有着潜在的应用前景。
BCC难熔合金室温下的滑移系远远少于FCC结构中熵合金,一般在室温或较高温度下表现出明显的脆性。因此BCC难熔合金存在的首要问题是室温或高温塑性低,拉伸性能难以满足工程材料的需要,加工性差。
发明内容
为了解决现有技术中的不足,本发明提供了一种三元难熔中熵合金及其制备方法。该合金具有简单体心立方结构,兼具良好的室温拉伸塑性和强度,弥补了现有技术存在的不足,满足高性能金属结构材料的需要,并为BCC中熵合金提供新的成分选择,从而使得其具有较大应用潜力。
本发明第一个目的是提供一种三元难熔中熵合金,中熵合金成分为 TiaVbHfc,其中a、b、c分别代表对应各元素的摩尔百分比,a=30-60at%,b=5-35 at%,c=30-35at%。
优选的,所述中熵合金为Ti60V8Hf32、Ti53V15Hf32、Ti49V19Hf32、Ti41V27Hf32、Ti33V33Hf33中的一种。
本发明第二个目的是提供一种三元难熔中熵合金制备方法,包括以下步骤:
熔炼:将原料置于真空电弧熔炼炉中,在惰性气氛条件下,控制电流于 150~280A,进行多次熔炼,每次熔炼3~6min,然后间歇3~6min后并翻面,再进行下一次熔炼,待熔炼完成后将合金熔体浇铸到模具中,获得铸态的合金锭;
吸铸:将铸态的合金锭置于浇铸模具上,然后对合金锭进行熔炼,待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸,冷却后去除模具得到长方形吸铸合金锭,即为三元难熔中熵合金。
优选的,至少进行5次熔炼。
更优选的,首次熔炼过程中,控制电流为150~180A;第二次熔炼及后续多次熔炼过程中,控制电流为260~280A。
优选的,将原料用乙醇进行振动清洗,烘干后,再置于真空电弧熔炼炉内,并将熔点最低的金属放在底层,熔点最高的金属放在表层。
优选的,将原料置于真空电弧熔炼炉内后,通过重复多次抽真空-充惰性气体对炉腔内排氧气处理,再进行熔炼操作;其中,每次抽真空至2×10-3Pa,并向炉腔内通入氩气至-0.05MPa。
优选的,吸铸的过程中,对铸态的合金锭引弧后控制电流为150-200A进行低温预热,待铸锭整体受热后,增大电流至300-400A,致使铸锭熔化。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明提供了一种三元难熔中熵合金及其制备方法。该合金具有简单体心立方结构,兼具良好的室温拉伸塑性和强度,弥补了现有技术存在的不足,满足高性能金属结构材料的需要,并为BCC中熵合金提供新的成分选择,从而使得其具有较大应用潜力。
本发明提供的三元难熔中熵合金,室温塑性基本上都达到了10%及以上,其中Ti41V27Hf32室温塑性约为22%,抗拉强度可达1181MPa,屈服强度可达 1106MPa,实现了强度-塑性的优良结合。TiVHf系合金中强度和硬度综合最佳的Ti/V比在5/2~3/2之间,经过合金设计和实验验证,我们获得了强塑性统一的TiVHf系中熵合金。
本发明的中熵合金组成元素熔点高,通过非自耗真空电弧熔炼工艺进行合金熔炼,通过对熔炼次数、熔炼电流的调控,制备出了成分均匀,力学性能优良的三元TiVHf中熵合金材料。
本发明提供的三元难熔中熵合金在航空航天、核工业及生物医学等领域拥有着潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的三元难熔中熵合金制备工艺流程图。
图2为实施例1~5提供的中熵合金组织图。
图3为实施例1~5提供的中熵合金XRD谱图;
图4为实施例1~5提供的中熵合金的EBSD(IPF图)展现出晶粒分布及尺寸图;晶粒尺寸分布定量统计图;晶粒尺寸随V含量的变化趋势图。
图5为实施例1~5提供的中熵合金的拉伸应力-应变曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供的一种三元难熔中熵合金,中熵合金成分为TiaVbHfc,其中a、 b、c分别代表对应各元素的摩尔百分比,a=30-60at%,b=5-35at%,c=30-35at%。
下述各实施例采用的原料均为纯度≥99.95%的金属原料。
实施例1
一种三元难熔中熵合金,该中熵合金的化学式为Ti60V8Hf32,简记为V8;其中,各元素的比例为摩尔百分比。
一种Ti60V8Hf32三元难熔中熵合金的制备方法,见图1所示,包括以下步骤:
S1、备料:将高纯度(≥99.95%)金属原料用酒精振动清洗,烘干备用;原料的用量是按照各元素摩尔百分比为Ti60V8Hf32进行称取,具体用分析天平称取19.17gTi,2.72gV,38.11gV后依次放入水冷金属坩埚中,熔点最低的金属放在底层,熔点最高的金属放在表层;
S2、抽真空:将原料装入非自耗真空电弧熔炼炉后关闭炉门,对样品室进行抽真空处理:首先打开机械泵,当真空度小于5×100Pa后打开分子泵,分子泵最高频率达450HZ,直到真空度小于或等于2×10-3Pa,关闭分子泵,之后向样品室通入高纯氩气致-0.05MPa,上述“抽真空-充氩气”过程反复进行2 次,充分排除炉体内的氧气;
S3、熔炼:先将纯钛锭熔炼5min吸收剩余的氧气,之后对原料进行5次重复熔炼,每次熔炼5min,然后间歇5min再进行下一次熔炼;
第一次熔炼使用小电流160A进行低温熔炼,以减少易挥发元素的挥发损耗;充分混合后停止引弧,待铸锭冷却后,使用拨杆将铸锭翻转180°,且此后每次熔炼结束均进行上述翻转操作,以保证熔炼均匀性;
第二次熔炼到第五次熔炼控制电流为270A进行高温熔炼,并且使用电磁搅拌功能,电流1.5A,增强合金流动性确保成分均匀;
S4、吸铸:将铜坩埚里熔炼好的圆形铸锭放置在浇铸模具上,引弧后先使用小电流180A进行低温预热,等待铸锭发红,整体受热均匀后瞬间增大电流至380A,致使铸锭熔化,同时点击吸铸按钮,将液态合金吸铸入60×10×8mm 的长方形模具,防止过快凝固而导致铸造缺陷;冷却后去除模具得到长方形吸铸合金锭,即为三元Ti60V8Hf32难熔中熵合金。
实施例2
一种三元难熔中熵合金,该中熵合金的化学式为Ti53V15Hf32,简记为V15;其中,各元素的比例为摩尔百分比。
该中熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同,不同之处在于,原料的用量是按照各元素摩尔百分比为Ti53V15Hf32进行称取。
实施例3
一种三元难熔中熵合金,该中熵合金的化学式为Ti49V19Hf32,简记为V19;其中,各元素的比例为摩尔百分比。
该中熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同,不同之处在于,原料的用量是按照各元素摩尔百分比为Ti49V19Hf32进行称取。
实施例4
一种三元难熔中熵合金,该中熵合金的化学式为Ti41V27Hf32,简记为V27;其中,各元素的比例为摩尔百分比。
该中熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同,不同之处在于,原料的用量是按照各元素摩尔百分比为Ti41V27Hf32进行称取。
实施例5
一种三元难熔中熵合金,该中熵合金的化学式为Ti33V33Hf33,简记为V33;其中,各元素的比例为摩尔百分比。
该中熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同,不同之处在于,原料的用量是按照各元素摩尔百分比为Ti33V33Hf33进行称取。
为了说明本发明提供的三元难熔中熵合金的各项性能,对实施例1~5提供的三元难熔中熵合金进行相关性能分析。见表1及图2~5所示。
其中,进行XRD相鉴定测试,X射线衍射仪工作电压和电流分别为40KV 和40mA,X射线源为Cu Kα(λ=0.1542nm)射线,扫描速度为5°/min,扫描步长为0.02°/step,扫描范围20°~100°;通过BSE(背散射电子)/EBSD(电子背散射衍射技术)进行组织表征,测量前样品经电解抛光处理。采用显微维氏硬度计测试硬度,测量前样品上下表面打磨平整并保持平行,测量面抛光。并使用48*10mm的板状试样在电子万能材料试验机对其拉伸力学性能测试,分析对比得到最优性能的合金成分,并明确Ti/V在TiVHf系合金中起到的合金化作用。
图2为实施例1~5提供的中熵合金组织图及相对应合金维氏硬度值,从图 2可知,Ti60V8Hf32,Ti53V15Hf32,Ti49V19Hf32,Ti41V27Hf32,Ti33V33Hf33的硬度值分别为300.3HV,277.2HV,307.5HV,321.9HV,345.7HV。其硬度值随V 含量的增多,呈现出先减后增的趋势,V在TiVHf系合金中具有较大的失配体积,增加了晶格畸变,提高了硬度。Ti41V27Hf32出现微量晶间析出相, Ti33V33Hf33具有大量晶间析出相,其余成分的组织都是固溶体相,这说明Ti提高了组元相溶性并抑制了化合物相的析出。
图3为实施例1~5提供的中熵合金XRD谱图,从图3可知,其显示出 TiVHf系中熵合金多为单相BCC结构,不对称峰可能由于晶界和晶内成分偏析,或是BCC2结构的析出相;随着V含量增多,晶格畸变导致BCC相的衍射峰整体向右偏移,其晶格常数a值变小。
图4为实施例1~5提供的中熵合金的EBSD(IPF图)展现出晶粒分布图及尺寸图(图a);晶粒尺寸分布定量统计图(图b);晶粒尺寸随V含量的变化趋势图(图c);从图4可知,图a为TiVHf合金的EBSD(IPF图)展现出晶粒分布及晶粒尺寸,具体数值在表1里。其中Ti53V15Hf32的晶粒尺寸最大,平均值约为64.9μm,Ti41V27Hf32的晶粒尺寸最小,平均值约为28.7μm。铸造过程中不同成分的合金凝固能力不同,晶粒的生长速度不同,导致晶粒尺寸的差异。
表1为实施例1~5提供的三元难熔中熵合金的平均晶粒尺寸和屈服强度值的汇总表
图5为实施例1~5提供的中熵合金的拉伸应力-应变曲线图,从图5可知, TiVHf系合金的室温塑性基本上都达到了10%及以上,其中Ti41V27Hf32室温塑性约为22%,抗拉强度可达1181MPa,屈服强度可达1106MPa,实现了强度-塑性的优良结合。TiVHf系合金中强度和硬度综合最佳的Ti/V比在5/2~3/2之间,经过合金设计和实验验证,我们获得了强塑性统一的TiVHf系中熵合金。
综上,本发明提供了一种三元难熔中熵合金及其制备方法。该合金具有简单体心立方结构,兼具良好的室温拉伸塑性和强度,弥补了现有技术存在的不足,满足高性能金属结构材料的需要,并为BCC中熵合金提供新的成分选择,从而使得其具有较大应用潜力。
本发明的中熵合金组成元素熔点高,通过非自耗真空电弧熔炼工艺进行合金熔炼,通过对熔炼次数、熔炼电流的调控,制备出了成分均匀,力学性能优良的三元TiVHf中熵合金材料。
本发明提供的三元难熔中熵合金在航空航天、核工业及生物医学等领域拥有着潜在的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种三元难熔中熵合金,其特征在于,中熵合金为Ti41V27Hf32;
上述三元难熔中熵合金是按照以下步骤制得:
熔炼:将原料置于真空电弧熔炼炉中,在惰性气氛条件下,控制电流于150~280A,进行多次熔炼,每次熔炼3~6min,然后间歇3~6min后并翻面,再进行下一次熔炼,待熔炼完成后将合金熔体浇铸到模具中,获得铸态的合金锭;
吸铸:将铸态的合金锭置于浇铸模具上,然后对合金锭进行熔炼,待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸,冷却后去除模具得到长方形吸铸合金锭,即为三元难熔中熵合金。
2.一种权利要求1所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
熔炼:将原料置于真空电弧熔炼炉中,在惰性气氛条件下,控制电流于150~280A,进行多次熔炼,每次熔炼3~6min,然后间歇3~6min后并翻面,再进行下一次熔炼,待熔炼完成后将合金熔体浇铸到模具中,获得铸态的合金锭;
吸铸:将铸态的合金锭置于浇铸模具上,然后对合金锭进行熔炼,待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸,冷却后去除模具得到长方形吸铸合金锭,即为三元难熔中熵合金。
3.根据权利要求2所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,至少进行5次熔炼。
4.根据权利要求3所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,首次熔炼过程中,控制电流为150~180A;第二次熔炼及后续多次熔炼过程中,控制电流为260~280A。
5.根据权利要求2所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,
将原料用乙醇进行振动清洗,烘干后,再置于真空电弧熔炼炉内,并将熔点最
低的金属放在底层,熔点最高的金属放在表层。
6.根据权利要求2所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,将原料置于真空电弧熔炼炉内后,通过重复多次抽真空-充惰性气体对炉腔内排氧气处理,再进行熔炼操作;其中,每次抽真空至2×10-3 Pa,并向炉腔内通入氩气至-0.05 MPa。
7.根据权利要求2所述的三元难熔中熵合金的制备方法,其特征在于,吸铸的过程中,对铸态的合金锭引弧后控制电流为150-200 A进行低温预热,待铸锭整体受热后,增大电流至300-400 A,致使铸锭熔化。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110674549.9A CN113403520B (zh) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110674549.9A CN113403520B (zh) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113403520A CN113403520A (zh) | 2021-09-17 |
CN113403520B true CN113403520B (zh) | 2022-06-17 |
Family
ID=77684899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110674549.9A Active CN113403520B (zh) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113403520B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114134385B (zh) * | 2021-12-03 | 2023-05-30 | 东南大学 | 一种难熔中熵合金及其制备方法 |
CN114959406A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-08-30 | 长沙理工大学 | 一种振荡压力烧结超高温中熵陶瓷增强难熔细晶中熵合金复合材料 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110541103B (zh) * | 2019-08-27 | 2021-01-01 | 北京工业大学 | 一种高强度高塑性的四元难熔高熵合金及其制备方法 |
CN110938769B (zh) * | 2019-11-22 | 2021-03-23 | 西北工业大学 | 一种共晶中熵合金及其制备方法 |
CN113234986B (zh) * | 2021-06-03 | 2022-04-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种低活化难熔中熵合金及其制备方法 |
-
2021
- 2021-06-17 CN CN202110674549.9A patent/CN113403520B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113403520A (zh) | 2021-09-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108642363B (zh) | 一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法 | |
CN108220742B (zh) | 一种微合金化Ti-Zr-Hf-V-Nb-Ta难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN113373366B (zh) | 一种多元难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN113403520B (zh) | 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 | |
CN110438387B (zh) | 硅化物析出强化难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN113789464B (zh) | 陶瓷相增强难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN113528920B (zh) | 一种高塑性的NbMoTaTiWC系难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN110938769B (zh) | 一种共晶中熵合金及其制备方法 | |
CN111647789B (zh) | 基于合金化法细化铬铁钴镍基高熵合金晶粒及制备方法 | |
CN114134385B (zh) | 一种难熔中熵合金及其制备方法 | |
CN110172630B (zh) | 一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金及其制备方法 | |
JP4415303B2 (ja) | 薄膜形成用スパッタリングターゲット | |
CN110541103A (zh) | 一种高强度高塑性的四元难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN114774752B (zh) | 一种高强高韧TiZrNbMoV难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN111074332B (zh) | 一种快速消除单晶高温合金中微观偏析的热处理方法 | |
CN113652593A (zh) | 一种MoxNbTayTiV高熵合金及其制备方法 | |
CN113881886A (zh) | 一种高比强度Ti-Al-Nb-Zr-Ta难熔高熵合金 | |
CN113416878A (zh) | Re、Ru固溶强化的VNbTiTaRe和VNbTiTaRu高熵合金及其制备方法 | |
CN111663070B (zh) | 一种耐高温氧化的AlCoCrFeNiSiY高熵合金及其制备方法 | |
CN112831709B (zh) | 一种高硬度难熔高熵合金及其制备方法 | |
CN112553488A (zh) | 一种CrAlNbTiVZr高熵合金材料及其制备方法 | |
CN117070786A (zh) | 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 | |
CN113862546B (zh) | 一种高强高韧高熵合金及其制备方法 | |
CN114134355A (zh) | 一种难熔高熵合金的强韧化调控方法 | |
US11878342B1 (en) | Vacuum smelting device with mold temperature control design and method for manufacturing a titanium-aluminum intermetallic alloy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |