CN113621863B - 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113621863B
CN113621863B CN202110824956.3A CN202110824956A CN113621863B CN 113621863 B CN113621863 B CN 113621863B CN 202110824956 A CN202110824956 A CN 202110824956A CN 113621863 B CN113621863 B CN 113621863B
Authority
CN
China
Prior art keywords
zrtinbtasn
entropy alloy
refractory high
melting point
precipitated phase
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
Application number
CN202110824956.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113621863A (zh
Inventor
朱正旺
周永康
张海峰
张宏伟
付华萌
李宏
王爱民
张龙
李正坤
李松涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Metal Research of CAS
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Metal Research of CAS filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Priority to CN202110824956.3A priority Critical patent/CN113621863B/zh
Publication of CN113621863A publication Critical patent/CN113621863A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113621863B publication Critical patent/CN113621863B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • C22C30/04—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing tin or lead
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/20—Arc remelting
    • 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
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C16/00—Alloys based on zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working in inert or controlled atmosphere or vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

本发明涉及一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。该难熔高熵合金的组成元素为Zr、Ti、Nb、Ta、Sn，各组分按原子百分比为：Zr 44‑48％，Ti 11‑15％，Nb 24‑28％，Ta8‑12％，Sn 2‑6％。该合金铸态下为单一的BCC结构，组织状态为树枝状，通过热处理可析出亚微米尺寸的析出相。

Description

一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备领域，特别涉及一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法。
背景技术
创新冶金工艺的发展不可避免地需要与传统冶金技术有所突破。这意味着需要对材料的概念进行更新与调整，从而可以出现具有增强性能的新材料。在各种不同的探索方法中，“高熵合金”(HEA)引起了广泛的关注。
高熵合金具有与传统合金相同的强化方法：析出强化、固溶强化、细晶强化和位错强化。难熔高熵合金具有典型的体心立方结构(BCC)，这种晶体结构在热处理过程中不发生相变，通常情况下为单一的晶体结构，相的稳定性较高，很难形成析出相。难熔高熵合金通常以其他的强化方式实现性能的提高。因此，对于亚微米-纳米级析出相高熵合金的制备与实现还需大量的工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法，该难熔高熵合金具有亚微米尺度的析出相。
本发明技术方案如下：
一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金，其特征在于：所述ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的组成元素为Zr、Ti、Nb、Ta、Sn，各组分按原子百分比为：Zr 44-48％，Ti 11-15％，Nb 24-28％，Ta 8-12％，Sn 2-6％。
该合金铸态下为单一的BCC结构(室温下)，组织状态为树枝状。在一定的热处理工艺后(1180～1220℃下进行热处理，时间1420～1460min，炉冷)，可析出大量的亚微米相，析出相的尺寸为263.3±50.7nm。
本发明所述难熔高熵合金中组成元素锆、钛、铌、钽和锡的纯度≥99.9％。
本发明所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将原料的化学成分的原子百分比转换成质量百分比，按照质量百分比进行配料；
2)将原料锆、钛和锡按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的铜坩埚中；将铌和钽按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的其他铜坩埚中；在剩余的铜坩埚中放入海绵钛；抽真空后充入氩气；
3)将ZrTiNbTaSn难熔高熵合金铸锭在1200±20℃下进行热处理，时间1440±20min，炉冷。
作为优选的技术方案：
步骤1)中，原料Zr为海绵锆，Ti为海绵钛，Nb为铌屑，Ta和Sn为颗粒状；原料的质量控制在小数点后三位，为保证原料的纯净，先在丙酮中超声清洗20min，然后在酒精中超声清洗20min。
步骤2)中，真空炉真空度在3.5×10-3Pa后，充入-0.08MPa的高纯氩气，引弧熔炼ZrTiNbTaSn难熔高熵合金；首先要熔炼Zr-Ti-Sn和Nb-Ta的中间合金；然后将中间合金熔炼在一起。在熔炼过程中开磁搅拌，合金锭至少熔炼7次。
步骤3)中，铸锭合金热处理时，先用石英玻璃管进行真空封装，防止氧化。首先以10℃/min的速度加热到1000℃，然后以5℃/min的速度加热到1200℃进行热处理，炉冷。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明通过合金元素的选择设计了一种新的合金体系，添加Sn元素起到固溶强化的作用。与现有难熔高熵合金相比，本发明制备出的难熔高熵合金室温压缩强度超过3GPa，屈服强度～1.3GPa，塑性＞50％，通过简单的热处理方法析出了亚微米相，屈服强度～1.5GPa。同时该合金的制备工艺简单，采用传统的电弧熔炼制备即可，热处理工艺简单，大大降低了成本，实现节能减排。
附图说明
图1为ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的显微组织；
图2为ZrTiNbTaSn难熔高熵合金热处理后的显微组织；
图3为ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的析出相尺寸分布图；
图4为ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的室温压缩工程应力-应变图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例
1.ZrTiNbTaSn合金的制备，具体步骤如下：
1)原料准备：本发明开发的难熔高熵合金组成元素为Zr、Ti、Nb、Ta和Sn。合金制备按照化学成分原子百分比转化成质量百分比配料，所选5中元素的纯度高于99.9％。原料Zr为海绵锆，Ti为海绵钛，Nb为铌屑，Ta和Sn为颗粒状。
冶炼前对原料进行预处理：用丙酮超声清洗20min，洗去Nb、Ta和Sn表面的油渍，再用酒精超声清洗20min，然后在干燥箱内烘干。
2)合金制备：本发明采用真空电弧炉熔炼合金。将原料Zr、Ti和Sn单独置于铜坩埚中，将Nb和Ta单独置于其他的铜坩埚中，制备中间合金。在空余的铜坩埚中加入吸氧海绵钛。抽真空至3.5×10-3Pa，然后充入高纯氩气至-0.08MPa。熔炼过程中开磁搅拌，使化学成分均匀。熔炼好的中间合金放在一起，熔炼最终合金。反复熔炼7次。
3)合金熔炼完成，待炉体冷却后充入空气，打开炉门，取出合金锭，得到铸态合金，进行热处理，组织结构表征。首先以10℃/min的速度加热到1000℃，然后以5℃/min的速度加热到1200℃，铸锭在1200±20℃下进行热处理，时间1440±20min，炉冷。
表1 ZrTiNbTaSn合金实际成分占比
Element Zr Ti Nb Ta Sn
At％ 45.55 13.56 25.44 10.99 4.46
参见图1可以看出本发明实施例的难熔高熵合金在铸态下为枝晶和晶间组织。参见图2可以看出，热处理后的合金在晶内析出大量的亚微米尺寸的析出相。参见图3可以看出，析出相的尺寸呈现正态分布，平均尺寸为263.3±50.7nm。参见图4可以看出，铸态下屈服强度为1.3GPa，压缩强度超过3GPa，塑性＞50％。经热处理后的屈服强度为1.5GPa。综上，具有优异的力学性能和显微组织。
实施例2
与实施例1的区别在于，所述ZrTiNbTaSn合金实际成分占比见表2。
表2 ZrTiNbTaSn合金实际成分占比
Element Zr Ti Nb Ta Sn
At％ 44.54 14.62 26.13 9.42 5.29
该合金在铸态下为枝晶和晶间组织，在热处理后晶内可析出大量的亚微米尺寸的析出相。铸态下室温屈服强度为1.35GPa，压缩强度超过3GPa，塑性＞50％。热处理后屈服强度为1.55GPa，平均析出相尺寸为259.3±48.7.该合金具有优异的力学性能和显微组织。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金，其特征在于：所述ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的组成元素为Zr、Ti、Nb、Ta、Sn，各组分按原子百分比为：Zr 44-48％，Ti 11-15％，Nb 25.44-28％，Ta 8-12％，Sn 2-6％；
所述难熔高熵合金的铸态组织在室温下为单一的BCC结构，组织状态为树枝状，通过热处理可析出亚微米尺寸的析出相，析出相的尺寸为263.3±50.7 nm；所述热处理后的冷却方式为炉冷；
所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法包括以下步骤：
1)将原料的化学成分的原子百分比转换成质量百分比，按照质量百分比进行配料；
2)将原料锆、钛和锡按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的铜坩埚中；将铌和钽按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的其他铜坩埚中；在剩余的铜坩埚中放入海绵钛；抽真空后充入氩气；
3)将ZrTiNbTaSn难熔高熵合金铸锭首先以10℃/min的速度加热到1000℃，然后以5℃/min的速度加热到1200℃进行热处理，时间1420～1460min，炉冷。
2.根据权利要求1所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金，其特征在于：所述难熔高熵合金组成元素锆、钛、铌、钽和锡的纯度≥99.9wt％。
3.一种权利要求1所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将原料的化学成分的原子百分比转换成质量百分比，按照质量百分比进行配料；
2)将原料锆、钛和锡按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的铜坩埚中；将铌和钽按照熔点低在下熔点高在上的顺序放在真空电弧炉的其他铜坩埚中；在剩余的铜坩埚中放入海绵钛；抽真空后充入氩气；
3)将ZrTiNbTaSn难熔高熵合金铸锭首先以10℃/min的速度加热到1000℃，然后以5℃/min的速度加热到1200℃进行热处理，时间1420～1460min，炉冷。
4.根据权利要求3所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中，原料Zr为海绵锆，Ti为海绵钛，Nb为铌屑，Ta和Sn为颗粒状。
5.根据权利要求3所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤2)中，真空炉真空度在3.5×10-3 Pa后，充入-0.08MPa的高纯氩气，引弧熔炼ZrTiNbTaSn难熔高熵合金；首先要熔炼Zr-Ti-Sn和Nb-Ta的中间合金；然后将中间合金熔炼在一起。
6.根据权利要求3所述亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在熔炼过程中开磁搅拌，合金锭至少熔炼7次。
CN202110824956.3A 2021-07-21 2021-07-21 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法 Active CN113621863B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110824956.3A CN113621863B (zh) 2021-07-21 2021-07-21 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110824956.3A CN113621863B (zh) 2021-07-21 2021-07-21 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113621863A CN113621863A (zh) 2021-11-09
CN113621863B true CN113621863B (zh) 2022-06-03

Family

ID=78380598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110824956.3A Active CN113621863B (zh) 2021-07-21 2021-07-21 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113621863B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114807714B (zh) * 2022-04-13 2024-01-09 中国科学院金属研究所 一种富Zr高熵合金及其制备方法
CN115198160B (zh) * 2022-07-14 2023-02-03 中国人民解放军国防科技大学 一种基于高活性元素的共晶高熵合金及其应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105734312A (zh) * 2016-03-10 2016-07-06 北京科技大学 一种生物医用TiZrNbTa系高熵合金及其制备方法
US20170314097A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology High-strength and ultra heat-resistant high entropy alloy (hea) matrix composites and method of preparing the same
CN108300926A (zh) * 2018-02-12 2018-07-20 哈尔滨工业大学 一种轻质难熔高熵合金及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105734312A (zh) * 2016-03-10 2016-07-06 北京科技大学 一种生物医用TiZrNbTa系高熵合金及其制备方法
US20170314097A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology High-strength and ultra heat-resistant high entropy alloy (hea) matrix composites and method of preparing the same
CN108300926A (zh) * 2018-02-12 2018-07-20 哈尔滨工业大学 一种轻质难熔高熵合金及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113621863A (zh) 2021-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113621863B (zh) 一种亚微米析出相ZrTiNbTaSn难熔高熵合金及其制备方法
CN109371271B (zh) 铜铁合金的非真空熔炼及连铸工艺
CN109266944B (zh) 一种FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法
CN103122431B (zh) 一种长周期结构相增强的镁锂合金的制备方法
CN110643853B (zh) 一种高强韧高稳定性TiAl-Ni合金板材的制备方法
CN110819873B (zh) 一种添加纳米氧化钇的高Nb-TiAl合金及其制备方法
JP6491304B2 (ja) 希土類金属溶製脱ガス方法
KR20120079638A (ko) 마그네슘계 합금 및 그 제조방법
CN114134385A (zh) 一种难熔中熵合金及其制备方法
CN115627406B (zh) 一种轻质难熔多主元合金、其制备方法及用途
US10494698B1 (en) Methods for making zirconium based alloys and bulk metallic glasses
CN114250393A (zh) 一种高强度高模量双相的镁锂合金及制备方法
CN113502441A (zh) 一种原位自生相增强镁基非晶复合材料及其制备方法
CN114774865A (zh) 一种铝钪合金靶材及其制备方法
CN114657439A (zh) 一种具有良好室温塑性的难熔高熵合金及其制备方法
CN107119203B (zh) 一种制备Yb、La和SiC复合变质A356.2合金的方法
CN111575572A (zh) 一种B掺杂TiZrNb多主元合金及其制备方法
CN115558814B (zh) 一种多元、高活、难熔高熵合金的冷坩埚感应熔炼方法
CN113025860B (zh) 一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法
CN107034380B (zh) 一种制备纳米SiC、Yb增强A356.2合金的方法
CN111215623B (zh) 一种Ti-Al系合金的粉末冶金致密化无压烧结方法
CN107937840A (zh) 一种钛铝合金复合材料及其制备方法
CN114134355A (zh) 一种难熔高熵合金的强韧化调控方法
CN113088718A (zh) 一种高致密高熔点钨合金的短流程非自耗电弧熔炼制备方法
CN111334683A (zh) 一种提高Cu-Fe合金综合力学性能的微合金化方法

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