CN113667877B - 一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金及其制备方法,属于TiZrVNb体系高熵合金技术领域。所述高熵合金的化学式按原子比简记为TiaZrbNbcVdMeAf,其中,M为Al、Hf、Ta、W、Mn、Cu、Cr、Fe、Mg、Be、Li、Mo、Co、Ni、Si、B、O和N中的至少一种,A为Y、La、Er、Sc、Nd、Gd、Ce中的至少一种,主要是通过添加稀土元素增加成分过冷、降低临界形核半径、以及形成稀土氧化物钉扎晶界,实现了普通熔炼技术下的晶粒细化,在保持TiZrVNb基高熵合金高强度和高塑性的基础上,明显提升其加工硬化率。另外,采用熔炼技术即可制备所述高熵合金,不需要进行后续的变形以及热处理,制备工艺简单,生产效率高,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金及其制备方法,属于TiZrVNb体系高熵合金技术领域。
背景技术
高熵合金是基于“熵”的概念设计的新型多主元合金,打破了传统合金以一种元素为主的设计思想,不仅为合金成分设计提供了全新的理念,同时也为定制满足不同应用需求的材料提供了变革机会。利用高熵合金的多主元特性,将多种低密度元素混合在一起,设计并制备出的TiZrVNb基系列高熵合金(CN201811500843.2),其表现出低密度、高强度以及良好的塑性等优势,有望成为新一代轻质结构材料。
目前,通常采用熔炼技术制备TiZrVNb基高熵合金,易出现晶粒粗大的问题,进而恶化高熵合金的力学性能。为了获得细晶组织,通常采用变形工艺及热处理工艺对高熵合金进行后续处理。然而,对于大型构件难以变形,而且,该体系高熵合金在热处理过程中易发生氧化,进而影响材料的服役性能,极大的限制了TiZrVNb基高熵合金的工程应用。
发明内容
针对熔炼及变形热处理技术制备TiZrVNb基高熵合金存在的不足,本发明提供了一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金及其制备方法,通过添加稀土元素增加成分过冷、降低临界形核半径、以及形成稀土氧化物钉扎晶界,实现了普通熔炼技术下的晶粒细化,在保持TiZrVNb基高熵合金高强度和高塑性的基础上,明显提升其加工硬化率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金,所述高熵合金的化学式按原子比简记为TiaZrbNbcVdMeAf,其中,M为Al、Hf、Ta、W、Mn、Cu、Cr、Fe、Mg、Be、Li、Mo、Co、Ni、Si、B、O和N中的至少一种,A为Y、La、Er、Sc、Nd、Gd、Ce中的至少一种,25≤a≤65,0<b≤55,0<c≤35,0<d≤30,0≤e≤20,0<f≤5,且a+b+c+d+e+f=100。
进一步地,TiaZrbNbcVdMeAf中,35≤a≤55,5≤b≤35,5≤c≤30,0<d≤25,0≤e≤15,0<f≤2,且a+b+c+d+e+f=100。
进一步地,TiaZrbNbcVdMeAf中,0<f≤1。
本发明所述含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金的制备方法,具体制备步骤如下:
以所述高熵合金中相应元素(Ti、Zr、V、Nb、M、A)对应的单质为原料,在真空或惰性气体保护气氛下进行合金化熔炼,重复熔炼两次以上,得到所述高熵合金。
进一步地,优选采用感应熔炼炉进行合金化熔炼。
有益效果:
(1)本发明中稀土元素在所述高熵合金中的平衡分配系数远小于1,成分过冷倾向大,促进非均质形核,起到了细化晶粒的效果。同时,稀土元素作为表面活性元素,可降低比表面能,进而减小合金凝固时的临界晶核,以提高合金的形核率,增加晶粒细化效果。此外,一部分稀土元素会与高熵合金中的氧结合形成稀土氧化物,在凝固过程中这些氧化物会被推到最后凝固的晶界处,钉扎晶界,从而阻碍晶粒在冷却过程中合并长大。
(2)与不添加稀土元素的TiZrVNb基高熵合金相比,本发明通过在TiZrVNb基高熵合金中添加稀土元素,不仅使合金保持体心立方(BCC)结构,而且在基本不损失TiZrVNb基高熵合金强度以及塑性的情况下,显著提升其加工硬化率,提高了工程用零件和工件的安全度。
(3)本发明所述高熵合金适用于熔炼技术制备,不需要后续的变形处理以及热处理,制备工艺简单,生产效率高,适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例1~2中制备的高熵合金以及对比例1中制备的高熵合金的X射线衍射仪(XRD)图谱对比图。
图2为实施例1中制备的高熵合金的电子背散射衍射(EBSD)晶界图。
图3为实施例2中制备的高熵合金的电子背散射衍射(EBSD)晶界图。
图4为对比例1中制备的高熵合金的电子背散射衍射(EBSD)晶界图。
图5为实施例1~2中制备的高熵合金以及对比例1中制备的高熵合金的晶粒尺寸统计结果的对比图。
图6为实施例1~2中制备的高熵合金以及对比例1中制备的高熵合金的真实应力应变曲线对比图。
图7为实施例2中制备的高熵合金的截面扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述,其中,所述方法如无特别说明均为常规方法,所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
以下实施例中:
金属单质Ti、Zr、Nb、V、Al以及稀土元素的纯度均大于99wt%。
物相分析:用线切割机将待测试的高熵合金切割成10mm×10mm×2mm的试样,然后将试样依次使用60#、120#、400#、800#、1500#、2000#的砂纸仔细打磨,再用酒精超声波清洗,最后采用X射线衍射仪测试获得X射线衍射谱。其中,X射线衍射仪测量扫描速率为6°/min,扫描角度范围为20°~90°,采用Cu靶Kα射线,设备工作电压为40kV,工作电流为110mA,扫描速度为6°/min,测量角度误差小于0.01°。
晶粒尺寸测定:将待测试的高熵合金用线切割设备制备成5mm×5mm×1mm的试样,然后依次用120#、400#、800#、1500#、2000#、3000#、5000#、7000#的砂纸将试样表面打磨光滑,再用抛光布将试样表面抛光且去应力处理,最后采用扫描电子显微镜的电子背散射衍射对试样晶粒进行统计。
力学性能测试:采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态拉伸试验,应变率选择为1×10-3s-1,测试试样为非标工字形件,试样厚1.0mm、宽3.14mm、平行段长度10mm以及标距长度5mm。将待测试的高熵合金用线切割设备制备成所需尺寸试样,然后依次用120#、400#、800#、1200#的砂纸将试样表面打磨干净,再用万能电子试验机进行室温拉伸实验,得到高熵合金的应力应变曲线。
实施例1
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=52.947:16.983:12.987:11.988:4.995:0.100的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.61g/cm3的Ti52.947Zr16.983Nb12.987V11.988Al4.995Y0.100高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据图1中的XRD谱图可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,结合图2中的EBSD晶界图以及图5中的晶粒尺寸统计结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~142μm,明显小于对比例1制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据图6和表1的测试结果可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变的降低程度非常小,但是应变硬化指数由-0.04496增加到0.00774。
实施例2
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=52.894:16.966:12.974:11.976:4.990:0.200的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.53g/cm3的Ti52.894Zr16.966Nb12.974V11.976Al4.990Y0.200高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据图1中的XRD谱图可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,结合图3中的EBSD晶界图以及图5中的晶粒尺寸统计结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~67.6μm,明显小于对比例1制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
从图7中可以看出,大量的稀土元素Y(白色析出相)聚集在晶界处,这是稀土元素Y在高熵合金凝固过程中被排挤到固液界面前沿导致的结果。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据图6和表1的测试结果可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度略微降低而断裂应变略微升高,但是应变硬化指数由-0.04496增加到0.03476。
实施例3
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=52.788:16.932:12.948:11.952:4.980:0.400的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.52g/cm3的Ti52.788Zr16.932Nb12.948V11.952Al4.980Y0.400高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据获得的XRD谱图可知,所制备的高熵合金为BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~119μm,明显小于对比例1制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变略有降低,但是应变硬化指数由-0.04496增加到0.02877。
实施例4
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=52.682:16.898:12.922:11.928:4.970:0.600的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.52g/cm3的Ti52.682Zr16.898Nb12.922V11.928Al4.970Y0.600高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据获得的XRD谱图可知,所制备的高熵合金为BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸123μm,明显小于对比例1制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例1制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变有较小程度的降低,但是应变硬化指数由-0.04496增加到0.02857。
实施例5
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及La为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:La=52.947:16.983:12.987:11.988:4.995:0.100的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.53g/cm3的Ti52.947Zr16.983Nb12.987V11.988Al4.995La0.100高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例1制备的不添加La的高熵合金相比,本实施例所制备的含有La的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有La的高熵合金的平均晶粒尺寸~110μm,明显小于对比例1制备的不添加La的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm,说明La元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例1制备的不添加La的高熵合金相比,本实施例所制备的含有La的高熵合金的屈服强度和断裂应变略有降低,但是应变硬化指数由-0.04496增加到0.01287。
实施例6
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=39.960:19.980:19.980:14.985:4.995:0.100的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.92g/cm3的Ti39.960Zr19.980Nb19.980V14.985Al4.995Y0.100高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例2制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~130μm,明显小于对比例2制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~235μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例2制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变略有降低,但是应变硬化指数由-0.03527增加到0.01024。
实施例7
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=39.920:19.960:19.960:14.970:4.990:0.200的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.91g/cm3的Ti39.920Zr19.960Nb19.960V14.970Al4.990Y0.200高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例2制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~73μm,明显小于对比例2制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~235μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例2制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变略微降低,但是应变硬化指数由-0.03527增加到0.03126。
实施例8
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=29.940:29.940:19.960:14.970:4.990:0.200的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为6.11g/cm3的Ti29.940Zr29.940Nb19.960V14.970Al4.990Y0.200高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例3制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~137μm,明显小于对比例3制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~287μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例3制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变基本保持不变,但是应变硬化指数由-0.04732增加到0.02832。
实施例9
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=39.920:34.930:9.980:9.980:4.990:0.200的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.97g/cm3的Ti39.920Zr34.930Nb9.980V9.980Al4.990Y0.200高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例4制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~156μm,明显小于对比例4制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~257μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例4制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变基本保持不变,但是应变硬化指数由-0.04935增加到0.02373。
实施例10
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb、V以及Y为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al:Y=54.890:12.974:24.950:6.986:0.200的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.92g/cm3的Ti54.890Zr12.974Nb24.950V6.986Y0.200高熵合金。
对本实施例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据表征结果可知,与对比例5制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金仍保持BCC单相结构,没有第二相的特征峰出现。
对本实施例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,根据测试结果可知,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~113μm,明显小于对比例5制备的不添加Y的高熵合金的平均晶粒尺寸~289μm,说明Y元素的加入有效细化了高熵合金中的晶粒尺寸。
对本实施例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据表1的测试结果可知,与对比例5制备的不添加Y的高熵合金相比,本实施例所制备的含有Y的高熵合金的屈服强度和断裂应变基本保持不变,但是应变硬化指数由-0.04988增加到0.02976。
对比例1
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb以及V为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al=53.000:17.000:13.000:12.000:5.000的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.53g/cm3的Ti53.000Zr17.000Nb13.000V12.000Al5.000高熵合金。
对本对比例所制备的高熵合金进行XRD测试,根据图1中的XRD谱图可知,所制备的高熵合金为BCC单相结构。
对本对比例所制备的高熵合金进行晶粒尺寸测试,结合图4中的EBSD晶界图以及图5中的晶粒尺寸统计结果可知,所制备的高熵合金的平均晶粒尺寸~224μm。
对本对比例所制备的高熵合金进行力学性能测试,根据图6和表1的测试结果可知,所制备的高熵合金的屈服强度为786MPa,断裂应变为9.89%,应变硬化指数为-0.04496。
对比例2
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb以及V为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al=40.000:20.000:20.000:15.000:5.000的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.92g/cm3的Ti40.000Zr20.000Nb20.000V15.000Al5.000高熵合金。
对比例3
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb以及V为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al=30.000:30.000:20.000:15.000:5.000的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.84g/cm3的Ti30.000Zr30.000Nb20.000V15.000Al5.000高熵合金。
对比例4
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb以及V为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V:Al=40.000:35.000:10.000:10.000:5.000的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.77g/cm3的Ti40.000Zr35.000Nb10.000V10.000Al5.000高熵合金。
对比例5
(1)以金属单质Ti、Zr、Al、Nb以及V为原料,先用砂轮打磨以除去原料表面的氧化膜,然后置于无水酒精中进行超声波震荡清洗并干燥,再按照Ti:Zr:Nb:V=55.000:13.000:25.000:7.000的原子比称取各金属单质;
(2)将称取的金属单质原料放入感应熔炼炉炉内的坩埚中,然后将炉内真空度抽至低于5×10-3Pa,再向炉内充氩气至压力达到0.05MPa,之后进行熔炼,待原料完全熔化后再保温2min使熔化的合金液均匀混合,保温结束后再关闭感应熔炼炉电源进行冷却获得铸锭;
(3)将铸锭翻转之后,按照步骤(2)的条件进行重复熔炼,重复熔炼两次,得到密度为5.93g/cm3的Ti55.000Zr13.000Nb25.000V7.000高熵合金。
表1
合金 | 屈服强度/MPa | 断裂应变/% | 应变硬化指数 |
Ti<sub>53.000</sub>Zr<sub>17.000</sub>Nb<sub>13.000</sub>V<sub>12.000</sub>Al<sub>5.000</sub> | 786 | 9.89 | -0.04496 |
Ti<sub>52.947</sub>Zr<sub>16.983</sub>Nb<sub>12.987</sub>V<sub>11.988</sub>Al<sub>4.995</sub>Y<sub>0.100</sub> | 748 | 8.1 | 0.00774 |
Ti<sub>52.894</sub>Zr<sub>16.966</sub>Nb<sub>12.974</sub>V<sub>11.976</sub>Al<sub>4.990</sub>Y<sub>0.200</sub> | 730 | 11.32 | 0.03476 |
Ti<sub>52.788</sub>Zr<sub>16.932</sub>Nb<sub>12.948</sub>V<sub>11.952</sub>Al<sub>4.980</sub>Y<sub>0.400</sub> | 752 | 6.9 | 0.02877 |
Ti<sub>52.682</sub>Zr<sub>16.898</sub>Nb<sub>12.922</sub>V<sub>11.928</sub>Al<sub>4.970</sub>Y<sub>0.600</sub> | 730 | 6.7 | 0.02857 |
Ti<sub>40.000</sub>Zr<sub>20.000</sub>Nb<sub>20.000</sub>V<sub>15.000</sub>Al<sub>5.000</sub> | 1066 | 12.5 | -0.03527 |
Ti<sub>39.960</sub>Zr<sub>19.980</sub>Nb<sub>19.980</sub>V<sub>14.985</sub>Al<sub>4.995</sub>Y<sub>0.100</sub> | 1051 | 12.3 | 0.01024 |
Ti<sub>39.920</sub>Zr<sub>19.960</sub>Nb<sub>19.960</sub>V<sub>14.970</sub>Al<sub>4.990</sub>Y<sub>0.200</sub> | 1043 | 10.5 | 0.03126 |
Ti<sub>52.947</sub>Zr<sub>16.983</sub>Nb<sub>12.987</sub>V<sub>11.988</sub>Al<sub>4.995</sub>La<sub>0.100</sub> | 752 | 9.0 | 0.01287 |
Ti<sub>30.000</sub>Zr<sub>30.000</sub>Nb<sub>20.000</sub>V<sub>15.000</sub>Al<sub>5.000</sub> | 827 | 3.2 | -0.04732 |
Ti<sub>29.940</sub>Zr<sub>29.940</sub>Nb<sub>19.960</sub>V<sub>14.970</sub>Al<sub>4.990</sub>Y<sub>0.200</sub> | 806 | 5.3 | 0.02832 |
Ti<sub>40.000</sub>Zr<sub>35.000</sub>Nb<sub>10.000</sub>V<sub>10.000</sub>Al<sub>5.000</sub> | 738 | 4.5 | -0.04935 |
Ti<sub>39.920</sub>Zr<sub>34.930</sub>Nb<sub>9.980</sub>V<sub>9.980</sub>Al<sub>4.990</sub>Y<sub>0.200</sub> | 721 | 5.7 | 0.02373 |
Ti<sub>55.000</sub>Zr<sub>13.000</sub>Nb<sub>25.000</sub>V<sub>7.000</sub> | 616 | 10 | -0.04988 |
Ti<sub>54.890</sub>Zr<sub>12.974</sub>Nb<sub>24.950</sub>V<sub>6.986</sub>Y<sub>0.200</sub> | 603 | 11.2 | 0.02976 |
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金,其特征在于:所述高熵合金的化学式按原子比简记为TiaZrbNbcVdMeAf,其中,M为Al、Hf、Ta、W、Mn、Cu、Cr、Fe、Mg、Be、Li、Mo、Co、Ni、Si、B、O和N中的至少一种,A为Y、La、Er、Sc、Nd、Gd、Ce中的至少一种,25≤a≤65,0<b≤55,0<c≤35,0<d≤30,0≤e≤20,0<f≤5,且a+b+c+d+e+f=100。
2.根据权利要求1所述的一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金,其特征在于:TiaZrbNbcVdMeAf中,35≤a≤55,5≤b≤35,5≤c≤30,0<d≤25,0≤e≤15,0<f≤2,且a+b+c+d+e+f=100。
3.根据权利要求1或2所述的一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金,其特征在于:TiaZrbNbcVdMeAf中,0<f≤1。
4.一种如权利要求1或2所述的含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金的制备方法,其特征在于:所述方法步骤如下,
以所述高熵合金中相应元素对应的单质为原料,在真空或惰性气体保护气氛下进行合金化熔炼,重复熔炼两次以上,得到所述高熵合金。
5.根据权利要求4所述的一种含有稀土元素的TiZrVNb基高熵合金的制备方法,其特征在于:采用感应熔炼炉进行合金化熔炼。
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