CN114351030A

CN114351030A - 一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN114351030A
Application number: CN202210047197.9A
Authority: CN
Inventors: 卢一平; 黄瑞
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明提供一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法。本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金的通式为Hf_aMo_bNb_cTi_dM_x，其中M为Al、Cr、Co、Ni、Si、B、C、N、O、Zr中的一种或多种的混合；其中0≤a≦35at.％，0≦b≦30at.％，10≤c≦45at.％，0≦d≦45at.％，0≦x≦35at.％，且a+b+c+d+x＝100。所述高强度与塑性的难熔高熵合金的制备方法包括：将原材料放入电弧炉坩埚内抽至负压真空状态，通入高纯氩气，重复熔炼冷却至室温后得到具有高强度与塑性的难熔高熵合金。本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金的密度低、室温塑性优异，高温稳定性佳。

Description

一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及高熵合金技术，尤其涉及一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术

不同于传统合金以单一元素作为主元的设计方式，高熵合金采用多种元素作为主要元素来进行合金材料设计。截止目前为止产生了一大批具有优异性能的高熵合金材料，比如高硬度高熵合金、高强度高熵合金、良好的塑韧性结合的高熵合金等。

先前的研究者基于高熵合金设计理念于2010年提出难熔高熵合金的设计方法。该设计方法主要是基于高熵合金经验设计准则来采用多种高熔点元素来设计合金材料，使最终获得的合金材料具有高熔点，因而具有良好的高温性能。但以W、Mo等高熔点元素作为主元进行合金设计在使得合金具有高强度、良好高温性能的同时会使得合金室温塑性较差，难以进行二次加工变形。此外，高密度也是此类合金不容忽视的问题，甚至有些密度超过13g/cm³，对该类材料大规模的应用造成阻碍。因此亟需设计一种低密度、具有优异塑性的难熔高熵合金。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前难熔高熵合金密度大、室温塑性较差的问题，提出一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金，该难熔高熵合金密度低、室温塑性优异，高温稳定性佳。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金，通式为Hf_aMo_bNb_cTi_dM_x，其中M为Al、Cr、Co、Ni、Si、B、C、N、O、Zr中的一种或多种的混合；其中0≤a≦35at.％，0≦b≦30at.％，10≤c≦45at.％，0≦d≦45at.％，0≦x≦35at.％，且a+b+c+d+x＝100。

进一步地，0≤a≦25at.％，0≦b≦40at.％，30≤c≦45at.％，0≦d≦45at.％，0≦x≦15at.％，且a+b+c+d+x＝100。

本发明的另一个目的还公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

将原材料Hf、Mo、Nb、Ti和M按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa或更高程度的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼3-8次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到具有高强度与塑性的难熔高熵合金。

所述炉内氩气气压应低于炉外环境气压；充入氩气后对放入的金属材料进行熔炼，待所有材料熔化为液态后保持液态30S及以上，以保证各合金成分均匀。

进一步地，所述原材料Hf、Mo、Nb、Ti和M纯度大于或等于99.7wt.％。

进一步地，所述原材料在放入坩埚前，先使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、M原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗。

本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：

(1)本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金中选用高熔点的Hf、Mo、Nb、Ti等元素使得合金具有高熔点(超过1500℃)及良好的高温力学性能，同时Ti及一些M等元素具有较低的密度，使得合金整体具有低密度。

(2)本发明使用混合法则计算合金的密度，测得系列合金密度低于10g/cm³，具有较低合金密度。

(3)对本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金进行室温力学实验，发现该合金具有超过820MPa的高屈服强度以及良好的变形塑性，断裂应变超过14％，因而具有良好的综合力学性能，现结合实施例分别进行描述。

(4)本发明具有高强度与塑性的难熔高熵合金具有高的理论合金熔点从而提供良好的高温性能，是一种优异的耐高温材料。

附图说明

图1是本发明实施例1-3制备得到的难熔高熵合金XRD衍射谱图；

图2是本发明实施例1-3制备得到的难熔高熵合金室温拉伸曲线；

图3是本发明实施例1制备得到的合金的金相照片；

图4是本发明实施例2制备得到的合金的金相照片；

图5是本发明实施例3制备得到的合金的金相照片；

图6是本发明实施例4制备得到的合金的室温压缩工程应力-应变曲线；

图7是本发明实施例5制备得到的合金的室温压缩工程应力-应变曲线；

图8是本发明实施例6制备得到的合金的金相照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Al五种元素组成，按照原子摩尔比记为Hf₁₃Mo₅Nb₃₆Ti₄₁Al₅。

该具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料的制备方法，其包括以下步骤：

使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、Al原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将五种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf₁₃Mo₅Nb₃₆Ti₄₁Al₅轻质难熔高熵合金；

由图1的XRD图谱可知，该合金由单相BCC结构固溶体构成。由图2拉伸力学工程应力-应变曲线可知，其拉伸力学屈服应力约为730MPa，断裂应变超过20％。由图3可知其铸态下主要为枝晶形貌。经过混合法则计算，该制备得到的合金的密度为7.30g/cm³。

实施例2

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Al五种元素组成。按照原子摩尔比记为Hf₁₃Mo₇Nb₃₆Ti₃₉Al₅。

使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、M原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将五种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf₁₃Mo₇Nb₃₆Ti₃₉Al₅轻质难熔高熵合金；

由图1的XRD图谱可知，该合金由单相BCC固溶体结构构成。由图2拉伸力学工程应力-应变曲线可知，其拉伸力学屈服应力为820MPa，断裂应变超过14％。由图4可知其铸态下主要为枝晶形貌。经过混合法则计算，该制备得到的合金的密度为7.40g/cm³。

实施例3

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Al五种元素组成，按照原子摩尔比记为Hf_12.68Mo_6.83Nb_35.11Ti_40.45 Al_4.93。

使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、M原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将五种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf_12.68Mo_6.83Nb_35.11Ti_40.45Al_4.93轻质难熔高熵合金；

由图1XRD图谱可知，该合金为单相BCC固溶体结构。由图2拉伸工程应力-应变曲线可知，其拉伸力学屈服应力大于750MPa，断裂应变超过15％。由图5可知其铸态下主要为枝晶结构。经过混合法则计算，该制备得到的合金的密度为7.34g/cm³。

实施例4

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Zr五种元素组成，按照原子摩尔比记为Hf₁₆Mo₃₄Nb₃₈Ti₅Zr₇。

使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、M原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将五种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf₁₆Mo₃₄Nb₃₈Ti₅Zr₇轻质难熔高熵合金；

图6为室温该实施例室温压缩工程应力-应变曲线，可以发现该实施例压缩屈服强度高达1500MPa，最终断裂强度超过1700MPa，断裂应变超过10％，展示出了良好的塑韧性结合的特点。经过混合法则计算，该制备得到的合金的密度为9.54g/cm³。

实施例5

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Zr五种元素组成，按照原子摩尔比记为Hf₈Mo₃₅Nb₃₉Ti₈Zr₁₀。

该具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料的制备方法，其包括以下步骤：使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、Zr原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将五种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf₈Mo₃₅Nb₃₉Ti₈Zr₁₀轻质难熔高熵合金；

图7为该实施例室温压缩工程应力-应变曲线，可以发现该实施例压缩屈服强度高达1400MPa，最终断裂强度约1700MPa，断裂应变超过13％，展示出了良好的塑韧性结合的特点。经过混合法则计算，该制备得到的合金的密度为9.00g/cm³。

实施例6

本实施例公开了一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料由Hf、Mo、Nb、Ti、Al、Si六种元素组成，按照原子摩尔比记为Hf_12.87Mo_5.94Nb_35.64Ti_39.6Al_4.95Si₁。

该具有高强度与塑性的难熔高熵合金材料的制备方法，其包括以下步骤：使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、Al、Si原材料表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗；将六种材料按照熔点高低不同依次放入电弧炉坩埚内，确保低熔点材料位于坩埚最底部；将真空电弧炉抽至5.0×10^-3Pa的负压真空状态，并且通入高纯氩气进行气体防氧化保护；重复熔炼5次至合金内各种成分混合均匀；熔炼结束冷却至室温后得到Hf_12.87Mo_5.94Nb_35.64Ti_39.6Al_4.95Si₁轻质难熔高熵合金。

图8为该实施例金相图片，可以发现该实施例内部主要为枝晶形貌。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金，其特征在于，通式为Hf_aMo_bNb_cTi_dM_x，其中M为Al、Cr、Co、Ni、Si、B、C、N、O、Zr中的一种或多种的混合；其中0≤a≦35at.％，0≦b≦45at.％，10≤c≦45at.％，0≦d≦45at.％，0≦x≦35at.％，且a+b+c+d+x＝100。

2.根据权利要求1所述具有高强度与塑性的难熔高熵合金，其特征在于，0≤a≦25at.％，0≦b≦40at.％，30≤c≦45at.％，0≦d≦45at.％，0≦x≦15at.％，且a+b+c+d+x＝100。

3.一种权利要求1或2所述具有高强度与塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述具有高强度与塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述原材料Hf、Mo、Nb、Ti和M纯度大于或等于99.7wt.％。

5.根据权利要求3所述具有高强度与塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述原材料在放入坩埚前，先使用砂纸或砂轮机打磨掉Hf、Mo、Nb、Ti、M表面的氧化皮，并使用超声波、酒精进行清洗。