CN114134355A

CN114134355A - 一种难熔高熵合金的强韧化调控方法

Info

Publication number: CN114134355A
Application number: CN202111469671.9A
Authority: CN
Inventors: 沈宝龙; 孙博; 梁秀兵; 王倩倩; 陈永雄; 张志彬
Original assignee: Southeast University; National Defense Technology Innovation Institute PLA Academy of Military Science
Current assignee: Southeast University; National Defense Technology Innovation Institute PLA Academy of Military Science
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明公开了一种难熔高熵合金的强韧化调控方法，包括以下步骤：(1)制备难熔高熵合金铸锭；(2)观察铸锭试样的合金组织形貌，利用能谱仪分析不同元素的分布规律；(3)根据不同元素分布特征重新设计合金成分；(4)将优化后的新合金成分制备成铸锭，得到强韧化调控后的难熔高熵合金。本发明基于合金的凝固组织特点，通过直接调控脆性难熔高熵合金中偏聚元素的含量，克服了WTaMoNb系难熔高熵合金的室温脆性；本发明不改变合金相结构，微观组织形貌呈树枝晶形态，室温及高温下的综合力学性能得到提高。本发明为解决难熔高熵合金室温脆性提供了新思路和新方法。

Description

一种难熔高熵合金的强韧化调控方法

技术领域

本发明涉及一种合金的强韧化调控方法，尤其涉及一种难熔高熵合金的强韧化调控方法。

背景技术

随着高熵概念的流行，多主元合金化策略使传统合金难以企及的性能极限被不断刷新。优异的高温结构稳定性是高熵合金(Cantor合金)最具吸引力的特性之一。通过熵调控、相组成设计、后处理(如时效处理)、晶界策略等，Cantor合金体系的高温力学性能得到极大优化。但作为一款潜在的替代镍基超合金的材料，Cantor合金在800℃以上温域的高温力学性能尚不满足应用需求，主要原因有：第一，相比镍基超合金，cantor合金高温下的强度与韧性不具备优越性；第二，若要达到或超过镍基超合金的高温性能，cantor合金在制备完成后需要极为复杂的后处理加工工艺。此外，cantor合金由于大量更贵重的元素，在成本上也处于劣势。

通过组合多种高熔点元素，Senkov等制备的WTaMoNb合金在1600℃下具有优异的高温强度，但该合金的室温断裂应变仅为2.1％(Senkov，Intermetallics，2011)，这种本征脆性使得合金难以加工与成形。通过将W、Mo替换为Hf、Zr、Ti，Senkov等发现TaNbHfZrTi合金在室温压缩时断裂应变超过50％(Senkov，Journal of Materials Science，2012)。然而，室温塑性获得极大提升的代价是合金在超过1000℃时就开始快速软化，尽管进一步的后处理加工工艺使得TaNbHfZrTi难熔高熵合金的室温力学性能得到综合性提高，但当温度升高到1200℃以上时，高温强度不足的问题再次出现。对于成本昂贵的难熔高熵合金而言，高温强度与室温塑性相互制约、无法兼得的性能调控是一大技术难题。

WTaMoNb合金体系是目前在1200℃以上的温域最具应用前景的难熔金属材料，克服室温脆性是合金走向应用的关键。在已公开报道的资料中，合金化新组元、掺杂非金属元素和开发新的制备工艺等是WTaMoNb合金性能优化的主要方法，相继开发出了一系列性能较为优异的难熔高熵合金，然而WTaMoNb本身的合金特性却被忽略，合金自身的元素调控鲜有报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够克服其室温脆性的难熔高熵合金的强韧化调控方法。

技术方案：本发明所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，包括以下步骤：

(1)制备难熔高熵合金铸锭；

(2)根据铸锭试样的合金组织形貌及不同元素分布特征重新设计合金成分；

(3)将优化后的新合金成分制备成铸锭，得到强韧化调控后的难熔高熵合金。

其中，步骤(2)中，所述重新设计合金成分的方法为：提高晶间/枝晶间偏聚元素含量。所述枝晶间偏聚元素原子百分比含量P1满足：60％≤P1≤90％。

其中，步骤(2)中，所述重新设计合金成分的方法为：降低晶内/枝晶内偏聚元素含量。所述枝晶内偏聚元素原子百分比含量P2满足：10％≤P2≤40％。

其中，步骤(2)中，利用线切割将难熔高熵合金铸锭切成块体试样，经打磨、抛光、金相腐蚀后，利用扫描电子显微镜观察合金组织形貌，并利用能谱仪分析不同元素的分布规律。

其中，所述步骤(1)中的高熵合金铸锭为W₂₅Ta₂₅Mo₂₅Nb₂₅，所述步骤(3)中优化后的新合金成分为W₂₀Ta₂₀Mo₃₀Nb₃₀、W₁₅Ta₁₅Mo₃₅Nb₃₅、W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀或W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅中的一种。

其中，步骤(1)中，所述难熔高熵合金的制备原料为金属单质粉末或颗粒。

其中，步骤(1)中，利用真空电弧熔炼法制备难熔高熵合金铸锭；具体步骤为：

(A)将单质纯金属原料去除氧化膜，并精确称量；

(B)按照元素熔点由低到高的顺序将称量好的各元素原料依次放置于非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜模坩埚中，并将真空电弧熔炼炉的真空仓气压抽至4×10^-3Pa以下；

(C)电弧熔炼，每个合金锭至少熔炼6次以保证成分均匀；

(D)真空仓内冷却至室温时取出，得到难熔高熵合金。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、基于合金的凝固组织特点，通过直接调控脆性难熔高熵合金中偏聚元素的含量，克服了WTaMoNb系难熔高熵合金的室温脆性，即，通过直接调控偏聚元素的含量，使脆性的WTaMoNb系合金的室温强度与塑性得到同步提高。2、使用非自耗真空电弧熔炼炉制备出了具有更高强度和塑性的WTaMoNb系难熔高熵合金。3、本发明合金呈单一BCC结构，微观组织形貌呈树枝晶形态，室温及高温下的综合力学性能得到提高，且具有优异的高温组织结构稳定性。4、本发明为解决难熔高熵合金室温脆性提供了新思路和新方法，有助于推动具有优异高温力学性能的脆性难熔高熵合金的实际应用。

附图说明

图1为实施例1中脆性W₂₅Ta₂₅Mo₂₅Nb₂₅难熔高熵合金的扫描电镜照片及其元素面分布；

图2为实施例1中优化后的W₁₅Ta₁₅Mo₃₅Nb₃₅难熔高熵合金的X射线衍射图谱；

图3为实施例2中优化后的W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀难熔高熵合金的室温工程应力应变曲线；

图4为实施例3中优化后的W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅难熔高熵合金的扫描电镜微观形貌。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

(1)取纯度不低于99.95wt.％的W、Ta、Mo、Nb单质纯金属颗粒，机械打磨去除氧化皮并超声清洗吹干后，按照原子比25at.％W-25at.％Ta-25at.％Mo-25at.％Nb进行精确配料。将称量好的4种纯金属原料按照元素熔点由低到高的顺序先后布料于非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜模坩埚中。熔炼前将炉腔抽真空至4×10^-3Pa，后充氩至0.7个大气压。熔炼时，先熔炼炉内的钛锭3min以除去炉腔内的残余氧；熔炼目标合金时，合金完全熔化后保持150s，随后冷却、翻转合金锭并再次熔炼，共熔炼6次确保合金成分均匀。

(2)利用线切割从合金锭中切取5mm×4mm×5mm的块体试样，先后经打磨、抛光、腐蚀并超声清洗后，利用场发射扫描电镜观察合金显微组织形貌，并进行元素面分布分析。

实施例1制备的难熔高熵合金的扫描电镜照片及其元素面分布如附图1所示。可以看出，脆性的W₂₅Ta₂₅Mo₂₅Nb₂₅难熔高熵合金呈现典型树枝晶的形貌，且W、Ta元素倾向偏聚于枝晶内，而Mo、Nb元素倾向偏聚于枝晶间，据此对该合金的元素含量优化为W₁₅Ta₁₅Mo₃₅Nb₃₅。

(3)取纯度不低于99.95wt.％的W、Ta、Mo、Nb单质纯金属颗粒，机械打磨去除氧化皮并超声清洗吹干后，按照原子比15at.％W-15at.％Ta-35at.％Mo-35at.％Nb进行精确配料。将称量好的4种纯金属原料按照元素熔点由低到高的顺序先后布料于非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜模坩埚中。熔炼前将炉腔抽真空至4×10^-3Pa，后充氩至0.7个大气压。熔炼时，先熔炼炉内的钛锭3min以除去炉腔内的残余氧；熔炼目标合金时，合金完全熔化后保持150s，随后冷却、翻转合金锭并再次熔炼，共熔炼6次确保合金成分均匀。

(4)利用线切割从合金锭中切取10mm×10mm×4mm的小块试样，用砂纸将试样表面磨平并超声清洗吹干后，对其进行X射线衍射测试。详细测试参数为：扫描步长为0.02°/s，扫描速率为4°/min，扫描角度2θ范围为20°～100°。

制备的W₁₅Ta₁₅Mo₃₅Nb₃₅难熔高熵合金的X射线衍射图谱如附图2所示。可以看出，该难熔高熵合金具为BCC单相结构，这说明强韧化调控不会改变WTaMoNb系难熔高熵合金的简单固溶体结构。

实施例2

在实施例1的基础上，与实施例1不同的是：步骤(2)中，将元素含量优化为W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀。步骤(3)中，取纯度不低于99.95wt.％的W、Ta、Mo、Nb单质纯金属颗粒，机械打磨去除氧化皮并超声清洗吹干后，按照原子比10at.％W-10at.％Ta-40at.％Mo-40at.％Nb进行精确配料。步骤(4)中，利用线切割从合金锭中部切取

的圆柱形试样，用2000目砂纸轻轻磨掉圆柱试样底面的线切割痕迹和侧面的氧化皮，超声清洗并吹干后，利用Instron5982型电子万能试验机测试合金的室温力学性能。

图3为实施例2制备的W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀难熔高熵合金的室温应力应变曲线。可以看出，W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀合金的屈服强度为1298MPa，压缩强度为1886MPa，塑性应变为14.9％，断裂应变为16.2％。相比于已报道的W₂₅Ta₂₅Mo₂₅Nb₂₅难熔高熵合金，本实施例中的难熔高熵合金的强度和塑性同步提高，这表明本发明提供的强韧化方法能够改善WTaMoNb系难熔高熵合金的脆性。

实施例3

在实施例1的基础上，与实施例1不同的是：步骤(2)中，将元素含量优化为W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅。步骤(3)中，取纯度不低于99.95wt.％的W、Ta、Mo、Nb单质纯金属颗粒，机械打磨去除氧化皮并超声清洗吹干后，按照原子比5at.％W-5at.％Ta-45at.％Mo-45at.％Nb进行精确配料。步骤(4)中，利用线切割从合金锭中部切取

实施例3制备的W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅难熔高熵合金的扫描电镜照片如附图4所示。可以看出，优选后的W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅难熔高熵合金呈现出树枝晶形貌，组织均匀，且晶粒更为细小。

Claims

1.一种难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备难熔高熵合金铸锭；

2.根据权利要求1所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述重新设计合金成分的方法为：提高晶间/枝晶间偏聚元素含量。

3.根据权利要求1所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述重新设计合金成分的方法为：降低晶内/枝晶内偏聚元素含量。

4.根据权利要求2所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，所述枝晶间偏聚元素原子百分比含量P1满足：60％≤P1≤90％。

5.根据权利要求3所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，所述枝晶内偏聚元素原子百分比含量P2满足：10％≤P2≤40％。

6.根据权利要求1所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，所述步骤(1)中的高熵合金铸锭为W₂₅Ta₂₅Mo₂₅Nb₂₅，所述步骤(3)中优化后的新合金成分的铸锭为W₂₀Ta₂₀Mo₃₀Nb₃₀、W₁₅Ta₁₅Mo₃₅Nb₃₅、W₁₀Ta₁₀Mo₄₀Nb₄₀或W₅Ta₅Mo₄₅Nb₄₅中的一种。

7.根据权利要求1所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，步骤(1)中，利用真空电弧熔炼法制备难熔高熵合金铸锭。

8.根据权利要求1所述的难熔高熵合金的强韧化调控方法，其特征在于，步骤(1)中，所述难熔高熵合金的制备原料为金属单质粉末或颗粒。