CN114807716A - 一种轨道交通用轻质高熵合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轨道交通用轻质高熵合金及其制备方法与应用，该轨道交通用轻质高熵合金的化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：(0.2‑1)：1：1：1。制备：按比例将密度较小的合金元素Al，Ti，V，Si，Zr进行混料，然后机械研磨后再合金化，接着通过半固态压铸成型工艺和热等静压处理，获得轨道交通用轻质高熵合金。应用：所述的高熵合金在轨道交通轻量化中具有广阔的应用前景，同时本发明的高熵合金在航空航天以及汽车等领域也具有较好的应用前景。发明的高熵合金是一种非等原子比的高熵合金，其组织为BCC+γ(Al2Ti)双相结构，具有高强度、高硬度和高刚度等力学性能，在轨道交通承重件上具有广阔的应用前景。

Description

一种轨道交通用轻质高熵合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及轻质高强合金加工技术领域，具体涉及一种轨道交通用轻质高熵合金及其制备方法与应用。
背景技术
轨道交通车辆关键零部件其质量约占整体质量的四分之三,车身重量每减轻10％，其能耗可降低约 6％-8％。因此，针对轨道交通关键零部件，开展轻质合金设计、制备和成形工艺及装备研究，对降低整个车辆重量，实现轻量化具有十分重要意义。传统轻质合金设计理念主要是基于“一种主要元素”准则，限制了合金成分的自由度，铝合金和镁合金的硬度和刚度低，无法作为轨道交通承重件使用，钛合金材料的加工成本又太高，不适宜大量推广。因此，迫切需要开发一种轻质、低成本、高性能的新型材料及其成型工艺。
近年来，高熵合金因其在硬度、抗压强度、韧性和热稳定等方面性能显著优于常规金属材料而备受工业界关注。高熵合金通过调制材料的“序参量”或者“熵参量”，引入“无序固溶体结构”获得独特的新材料。通过四元或五元-非等原子比-多相合金，实现孪晶增韧和相变增韧同步产生，并提高其强度、硬度和刚度，具有良好综合性能。但是，迄今为止，高熵合金材料的研究对象一般都是高密度体系(密度一般在8.0g/cm3以上)，而对低密度高熵合金(密度小于5.0g/cm3) 的研究报道较少。因此，开发一种高性能的轻质高熵合金对实现轨道交通轻量化具有十分重要的意义。
发明内容
针对铝合金和镁合金材料的硬度和刚度低，无法作为轨道交通承重件使用，以及针对钛合金材料加工成本高不适宜大量推广使用等缺陷，本发明提供了一种经济成本低，且兼具高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金及其制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种轨道交通用轻质高熵合金，其特征在于，该轨道交通用轻质高熵合金的化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为 Al：Ti：V：Si：Zr＝1：(0.2-1)：1：1：1。
具体的，本发明所述的轨道交通用轻质高熵合金(AlTiVSiZr)是一种非等原子比的高熵合金，并且其组织为BCC+γ(Al2Ti)双相结构，具有高强度、高硬度和高刚度等力学性能，在轨道交通承重件上具有广阔的应用前景。
一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，按比例将密度较小的合金元素Al，Ti，V，Si，Zr进行混料，然后机械研磨后再合金化，接着通过半固态压铸成型工艺和热等静压处理，获得轨道交通用轻质高熵合金。
具体的，本发明所提供的轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，首先将密度较小的合金元素Al,Ti,V,Si及Zr按原子比1：(0.2-1)： 1：1：1进行均匀混合，通过球磨机高能机械研磨单质金属粉使其合金化；其次通过半固态压铸工艺以高温、高速和高压的方式制备压铸件；最后再将压铸的零件进行热等静压处理，从而得到主要组成为 BCC+γ(Al2Ti)的双相合金材料。
一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
(1)混粉：将高纯度的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按比例称量好，放入球磨罐中，抽真空并惰性气氛保护，然后进行低能球磨，获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨，使粉体合金化；接着向球磨罐内通入液氮再进行低能球磨，将粘附的金属粉体洗下并取出金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中熔化，然后快速冷却和快速搅拌，获得半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；
(5)热等静压处理：将所述压铸件在热等静压炉中保温，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
具体的，在本发明的工艺条件下，其制备的高熵合金兼具了高硬度和刚度的特性。
进一步的，一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法：步骤(1) 混粉：其中所述单质粉的纯度不低于99.9％；球料质量比为(6-10)：1；低能球磨的转速为100-150rpm，低能球磨时间为2-6小时。
进一步的，一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法：步骤(2) 机械合金化：所述高能球磨的转速为300-400rpm，高能球磨时间为 12-26小时；其中向球磨罐内通入液氮量为300-500ml；该步骤(2) 中低能球磨的转速为100-150rpm，低能球磨时间为5-10分钟。
进一步的，一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法：步骤(3) 半固态浆料制备：其中金属粉体熔化的温度为1500-1600℃；快速冷却的速度为5-8℃/秒，快速搅拌的速度为600-800rpm；获得的半固态浆料为50-60％固体组分浆料。
进一步的，一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法：步骤(4) 压铸成型：其中压射速度为20-30cm/s，压射比压为50-80MPa。
进一步的，一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法：步骤(5) 热等静压处理：其中热等静压炉保温温度为1350-1450℃，保温时间 2-3小时，工作压力为100-200MPa。
一种轨道交通用轻质高熵合金的应用，其特征在于，将所述的轨道交通用轻质高熵合金用于制作轨道交通承重件和结构件。
本发明所述的高熵合金具有高硬度和高刚度，在轨道交通轻量化中具有广阔的应用前景。同时本发明的高熵合金在航空航天以及汽车等领域也具有较好的应用前景。
本发明所述高熵合金的有益效果：
(1)本发明的轻质高熵合金，经X-射线衍射分析(XRD)其组织为BCC+γ(Al2Ti)双相结构，并采用半固态压铸成型和热等静压处理工艺；所得高熵合金(AlTiVSiZr)的密度为4.21～4.52g/cm3，抗压强度1300～2300MPa，硬度670～800HV，延伸率12～18％；本发明的高熵合金具备高强度和高硬度以及轻质的特性。
(2)本发明的轻质高熵合金，采用密度小的元素Al,Ti,V,Si,Zr 作为合金化元素，实现高熵合金的轻质化，有利于在轨道交通轻量化设计中推广。
(3)本发明提供的轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，采用球磨，半固态压铸和热等静压的工艺进行轻质高熵合金的制备，其工艺简单，操作方便；本发明的高熵合金制备工艺过程可实现自动化生产，可实现批量生产。
(4)本发明的轻质高熵合金由BCC+γ(Al2Ti)双相结构组成，具有高强度和硬度，高刚度，在轨道交通承重件上具有应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明制备轨道交通用轻质高熵合金的工艺流程图；
图2为本发明实施例1制备的轨道交通用轻质高熵合金的断口 SEM图；
图3为本发明实施例1制备的轨道交通用轻质高熵合金的组织 SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，包括如下具体步骤：
(1)混粉：将高纯度的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按比例称量好，放入不锈钢球磨罐中，抽真空并以高纯度氩气进行保护，然后在卧式行星式球磨机低能球磨，获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨，使粉体合金化；接着通过洗气孔向球磨罐内通入液氮再进行低能球磨，将罐壁上粘附的金属粉体洗下并取出合金化后的金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中熔化，然后快速冷却和快速搅拌，获得半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；
(5)热等静压处理：将所述压铸件在热等静压炉中保温，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
实施例1
一种轨道交通用轻质高熵合金，其化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：0.2：1：1：1；
该轻质高熵合金的制备方法，包括如下具体步骤：
(1)混粉：将纯度99.9％的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按原子比1：0.2：1：1：1比例称量好，放入不锈钢球磨罐中，球料质量比为10：1，抽真空并以高纯度氩气进行保护，然后在卧式行星式球磨机低能球磨，低能球磨的转速为100rpm、球磨时间为6小时，从而获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨(高能球磨转速为400rpm、球磨12小时)，使粉体合金化；接着通过洗气孔向球磨罐内通入500ml的液氮，再以转速100rpm低能球磨5分钟，将罐壁上粘附的金属粉体洗下并取出合金化后的金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中以1550℃熔化，然后以8℃/s快速冷却，并以 600rpm的速度快速搅拌，获得50％固体组分半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；其中：压射速度为30cm/s，压射比压为80MPa；
(5)热等静压处理：将所得压铸件在热等静压炉中1400℃保温 2小时，工作压力100MPa，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
上述实施例1轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其工艺流程如图1所示。
实施例2
一种轨道交通用轻质高熵合金，其化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：0.4：1：1：1；
该轻质高熵合金的制备方法，包括如下具体步骤：
(1)混粉：将纯度99.9％的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按原子比1：0.4：1：1：1比例称量好，放入不锈钢球磨罐中，球料质量比为8：1，抽真空并以高纯度氩气进行保护，然后在卧式行星式球磨机低能球磨，低能球磨的转速为110rpm、球磨时间为5小时，从而获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨(高能球磨转速为350rpm、球磨18小时)，使粉体合金化；接着通过洗气孔向球磨罐内通入450ml的液氮，再以转速110rpm低能球磨8分钟，将罐壁上粘附的金属粉体洗下并取出合金化后的金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中以1510℃熔化，然后以7℃/s快速冷却，并以 700rpm的速度快速搅拌，获得60％固体组分半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；其中：压射速度为20cm/s，压射比压为60MPa；
(5)热等静压处理：将所得压铸件在热等静压炉中1360℃保温 3小时，工作压力200MPa，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
实施例3
一种轨道交通用轻质高熵合金，其化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：0.6：1：1：1；
该轻质高熵合金的制备方法，包括如下具体步骤：
(1)混粉：将纯度99.9％的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按原子比1：0.6：1：1：1比例称量好，放入不锈钢球磨罐中，球料质量比为6：1，抽真空并以高纯度氩气进行保护，然后在卧式行星式球磨机低能球磨，低能球磨的转速为150rpm、球磨时间为2.5小时，从而获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨(高能球磨转速为300rpm、球磨26小时)，使粉体合金化；接着通过洗气孔向球磨罐内通入400ml的液氮，再以转速150rpm低能球磨6分钟，将罐壁上粘附的金属粉体洗下并取出合金化后的金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中以1600℃熔化，然后以6℃/s快速冷却，并以 800rpm的速度快速搅拌，获得50％固体组分半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；其中：压射速度为25cm/s，压射比压为50MPa；
(5)热等静压处理：将所得压铸件在热等静压炉中1450℃保温 2.5小时，工作压力150MPa，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，高熵合金中各元素的原子比不同，其余条件皆相同；实施例4高熵合金(AlTiVSiZr)中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：0.8：1：1：1。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于，高熵合金中各元素的原子比不同，其余条件皆相同；实施例5高熵合金(AlTiVSiZr)中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：1：1：1：1。
测试：
(1)通过扫描电镜(SEM)对上述实施例1的轻质高熵合金进行表征，其结果如图2所示，从图2中可以看出断口出现了大量的韧窝花样和解理台阶的基本微观特征，说明双相AlTiVSiZr高熵合金韧性断裂由剪切断裂和解理断裂机理共同作用；图3可以看出双相AlTiVSiZr 高熵合金中的BCC基体相为板条结构，γ(Al2Ti)相为等轴状结构分布在BCC基体相中。
(2)针对上述实施例1-5得到的轨道交通用轻质高熵合金进行密度和力学性能测试，采用阿基米德法测量所获得材料的密度，在万能电子试验机上进行其室温压缩力学性能的测试，维式硬度计测量试样的硬度。测定了上述实施例1-5的高熵合金材料的密度、抗压强度、硬度和延伸率，其结果如下表所示：
Figure BDA0003609796990000101
Figure BDA0003609796990000111
由上述的测试结果可以看出本发明制备的高熵合金(AlTiVSiZr) 其密度为4.21～4.52g/cm3、抗压强度为1300～2300MPa、硬度为 670～800HV、延伸率12～18％，可以看出本发明的高熵合金具备高强度和高硬度以及轻质的特性。
本发明提供的轨道交通用轻质高熵合金制备方法，首先将密度较小合金元素Al,Ti,V,Si及Zr按原子比1：(0.2-1)：1：1：1进行均匀混合，通过球磨机高能机械研磨单质金属粉，使其合金化；其次，通过半固态压铸工艺以高温、高速、高压以及热等静压处理等方式制备材料，从而得到主要组成为BCC+γ(Al2Ti)双相合金材料。在本发明的工艺条件下，其制备的高熵合金兼具高硬度和刚度的特性。同时本发明的轻质高熵合金在轨道交通、航空航天、汽车等领域具有广阔应用前景。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种轨道交通用轻质高熵合金，其特征在于，该轨道交通用轻质高熵合金的化学成分为AlTiVSiZr，且该高熵合金中各元素的原子比为Al：Ti：V：Si：Zr＝1：(0.2-1)：1：1：1。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，按比例将密度较小的合金元素Al，Ti，V，Si，Zr进行混料，然后机械研磨后再合金化，接着通过半固态压铸成型工艺和热等静压处理，获得轨道交通用轻质高熵合金。
3.根据权利要求2所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
(1)混粉：将高纯度的Al，Ti，V，Si，Zr五种单质粉按比例称量好，放入球磨罐中，抽真空并惰性气氛保护，然后进行低能球磨，获得均匀的Al，Ti，V，Si，Zr混合粉；
(2)机械合金化：将所得混合粉再进行高能球磨，使粉体合金化；接着向球磨罐内通入液氮再进行低能球磨，将粘附的金属粉体洗下并取出金属粉体；
(3)半固态浆料制备：将步骤(2)取出的金属粉体置入半固态浆料连续制备器中熔化，然后快速冷却和快速搅拌，获得半固态浆料；
(4)压铸成型：将所述半固态浆料直接压射到模具型腔，形成压铸件；
(5)热等静压处理：将所述压铸件在热等静压炉中保温，然后停止加热，随炉冷却至室温取出，即获得高刚度和高硬度的轨道交通用轻质高熵合金。
4.根据权利要求3所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)混粉：其中所述单质粉的纯度不低于99.9％；球料质量比为(6-10)：1；低能球磨的转速为100-150rpm，低能球磨时间为2-6小时。
5.根据权利要求3所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)机械合金化：所述高能球磨的转速为300-400rpm，高能球磨时间为12-26小时；其中向球磨罐内通入液氮量为300-500ml；该步骤(2)中低能球磨的转速为100-150rpm，低能球磨时间为5-10分钟。
6.根据权利要求3所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)半固态浆料制备：其中金属粉体熔化的温度为1500-1600℃；快速冷却的速度为5-8℃/秒，快速搅拌的速度为600-800rpm；获得的半固态浆料为50-60％固体组分浆料。
7.根据权利要求3所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)压铸成型：其中压射速度为20-30cm/s，压射比压为50-80MPa。
8.根据权利要求3所述的一种轨道交通用轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)热等静压处理：其中热等静压炉保温温度为1350-1450℃，保温时间2-3小时，工作压力为100-200MPa。
9.一种轨道交通用轻质高熵合金的应用，其特征在于，将权利要求1所述的轨道交通用轻质高熵合金或权利要求2-8任一项所述的制备方法制得的高熵合金用于制作轨道交通承重件和结构件。
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