CN113652592A - 一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。该共晶高熵合金的组成元素为Ti、Nb、Hf、Fe、Ni，原子百分比表达式为Ti₃₀Nb₂₀Hf₁₀Fe₁₀Ni₃₀。该合金铸态下为BCC与B2组成的共晶片层结构。室温压缩屈服强度为1755MPa，弹性应变为2.52％，抗压强度为2245MPa。在500℃的环境下具有1500MPa的屈服强度，弹性应变高达5.5％。该合金具有高强度高弹性应变等优点，并且合金具有优秀的高温力学性能。

Description

一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金及其制备 方法

技术领域

本发明属于设计金属材料及其制备领域，具体涉及一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金及其制备方法。

背景技术

由于对材料的各项性能的需求越来越高，以及我国现代工业界的迅猛发展，普通单一传统材料跟不上我们对于材料的更高要求。而我们常用的大多数合金是由两种元素所组成的。直到1990年代中期，叶均蔚等学者提出了多主元高熵合金的概念。高熵合金概念突破了过去的合金制备的理念，其主要组成的合金元素至少为五种。高熵合金理念一经提出，就把研究合金的关注点集中在了相图中，这提升了人们对于相图的中间部分的认知，具有重要的科学研究意义。由于各种金属元素的相互协调作用使高熵合金获得了良好的高温稳定性能、高强度、高硬度、好的耐磨性、高的耐腐蚀性及许多优异的性能。这些优异的性能使得高熵合金在各行各业都有应用前景，如在航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业等。

大连理工大学卢一平率先提出了共晶高熵合金的设计理念，这种设计理念结合了共晶合金和高熵合金的优异性能。并且设计了具有硬质的B2结构和软的FCC结构的双相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。然而到目前为止，对于共晶合金的实验研究与理论研究还十分缺少。

因此，通过合理的元素含量调控获得优异性能的共晶高熵合金，并对其各项性能及合金的组织微观结构进行探究具有十分重要的应用价值和理论意义。

发明内容

本发明开发出了一种具有高强度、高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，这种共晶高熵合金高熵合金具有双相(BCC+B2)结构。

本发明技术方案如下：

一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：该高熵合金的原子百分比表达式为Ti₃₀Nb₂₀Hf₁₀Fe₁₀Ni₃₀。

其中，组成元素钛、铌、铪、铁和镍的纯度均≥99.9％，且纯金属原材料均为块状或颗粒状。

本发明所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1).按照所述高熵合金成分，将原子百分比换算成质量百分比称取配料；

步骤2).将所称取的原料一一去除表面的氧化皮，并对其进行清洗(可用工业乙醇超声清洗)；

步骤3).将处理好的原料根据熔点由低至高的顺序放在真空非自耗电弧炉的铜坩埚中；并在剩余的铜坩埚中放入海绵钛；

步骤4).将熔炼炉内的真空室抽至真空度为1×10^-3～3.5×10^-3Pa后，向炉内充入-0.05～-0.1MPa的高纯氩气，重复多次熔炼均匀后得到纽扣状铸锭。

作为优选的技术方案：

步骤1)中，采用的原料为海绵钛、铌颗粒、结晶铪、铁块、镍颗粒。

步骤4)中，重复多次熔炼均匀的过程中需开启磁搅拌，熔炼次数为4次。

采用上述方法制备得到的高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：所述共晶高熵合金铸态下为BCC与B2组成的共晶片层结构。

与现有技术相比，其优点在于：

1、本发明所设计的TiNbHfFeNi共晶高熵合金制备方法简单可靠。

2、本发明所提供的TiNbHfFeNi共晶高熵合金微观组织新颖，为由富Nb的BCC相与贫Nb的B2相组成的共晶片层组织。

3、本发明所提供的TiNbHfFeNi共晶高熵合金具有高弹性应变及高强度等特点。该共晶高熵合金室温下压缩屈服强度为1755MPa，弹性应变为2.52％，抗压强度为2245MPa，且压缩过程达到屈服后有明显的加工硬化行为；在500℃的环境下具有1500MPa的屈服强度，弹性应变为5.5％；在600℃的环境下具有1200MPa的屈服强度，弹性应变为5.3％；在700℃的环境下具有951MPa的屈服强度，弹性应变为4.2％。

附图说明

图1为制备的TiNbHfFeNi共晶形状记忆高熵合金的XRD图谱；

图2为制备的TiNbHfFeNi共晶形状记忆高熵合金的显微组织；

图3为制备的TiNbHfFeNi共晶形状记忆高熵合金的室温压缩的工程应力-应变曲线；

图4为制备的TiNbHfFeNi共晶形状记忆高熵合金不同高温下压缩的真应力-应变曲线。

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清楚完整的描述。

实施例

TiNbHfFeNi共晶高熵合金的制备，具体步骤如下：

(1)原料准备：本发明所使用的金属原料为高纯的(≥99.9％)。其中原料Ti为海绵钛，Nb为铌颗粒，Hf为结晶铪，Fe为铁块，Ni为镍颗粒。按照质量比进行称量配比，比去除原料表面的氧化皮，在酒精中用超声波振荡清洗干净并烘干。

(2)合金制备：本发明采用真空电弧炉熔炼合金。将原料Fe、Ni单独放置于一个铜坩埚中，将原料Nb、Hf、Ti放置另一铜坩埚中，首先制备中间合金。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4次。

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，进行组织结构表征和力学性能测试。

参见图1可以看出本发明实施例的共晶高熵合金在室温下为BCC+B2晶体结构。参见图2，显微组织成共晶片层状，其中黑色相为富Nb的BCC相，白色相为贫Nb的B2相，其中黑色相为富Nb的BCC相片层厚度约为40nm左右，已达到纳米材料的标准。参见图3，可以看出合金的压缩屈服强度为1755MPa，弹性应变为2.52％，抗压强度为2245MPa，且压缩过程达到屈服后有明显的加工硬化行为。可以看出该合金具有高强度高弹性应变等优点。参见图4，从真压缩应力-应变曲线可以看出合金具有优异的高温力学性能(即高的弹性应变以及高强度)，在500℃的环境下具有1500MPa的屈服强度，弹性应变高达5.5％。在600℃的环境下具有1200MPa的屈服强度，弹性应变高达5.3％。在700℃的环境下具有951MPa的屈服强度，弹性应变高达4.2％。随着温度升高屈服强度和弹性应变逐渐变低，弹性模量无明显变化。

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 (7)

1.一种高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：该高熵合金的原子百分比表达式为Ti₃₀Nb₂₀Hf₁₀Fe₁₀Ni₃₀。

2.按照权利要求1所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：组成元素钛、铌、铪、铁和镍的纯度均≥99.9％，且纯金属原材料均为块状或颗粒状。

3.一种权利要求1所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1).按照所述高熵合金成分，将原子百分比换算成质量百分比称取配料；

步骤2).将所称取的原料一一去除表面的氧化皮，并对其进行清洗；

步骤3).将处理好的原料根据熔点由低至高的顺序放在真空非自耗电弧炉的铜坩埚中；并在剩余的铜坩埚中放入海绵钛；

步骤4).将熔炼炉内的真空室抽至真空度为1×10^-3～5×10^-3Pa后，向炉内充入-0.05～-0.1MPa的高纯氩气，重复多次熔炼均匀后得到纽扣状铸锭。

4.按照权利要求3所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用的原料为海绵钛、铌颗粒、结晶铪、铁块、镍颗粒。

5.按照权利要求3所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤4)中，重复多次熔炼均匀的过程中需开启磁搅拌，熔炼次数为4次。

6.一种按照权利要求3所述方法制备得到的高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：所述共晶高熵合金铸态下为BCC与B2组成的共晶片层结构。

7.按照权利要求6所述高强度高弹性应变的TiNbHfFeNi共晶高熵合金，其特征在于：所述共晶高熵合金室温下压缩屈服强度为1755MPa，弹性应变为2.52％，抗压强度为2245MPa，且压缩过程达到屈服后有明显的加工硬化行为；在500℃的环境下具有1500MPa的屈服强度，弹性应变为5.5％；在600℃的环境下具有1200MPa的屈服强度，弹性应变为5.3％；在700℃的环境下具有951MPa的屈服强度，弹性应变为4.2％。

Images