CN114941099A - 一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高硬度的W‑Ta‑V‑Zr系难熔高熵合金及其制备方法，其组成元素为W、Ta、V、Zr，成分为Wx(TaVZr)100‑x，其中x＝5～25，x为W的原子百分数。本发明的难熔高熵合金具有高强度以及高硬度。

Description

一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金及其制备 方法
技术领域
本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金的概念由学者叶均蔚最先提出，定义为至少含有五种及五种以上元素组成且每种元素的百分占比为5％-35％。高熵合金的概念一经提出，便凭借其独特的综合性能引起了国内外众多学者的广泛关注。值得一提的是，由于拥有远超于传统合金的混合熵，一些四元合金也被称之为高熵合金。近年来，越来越多的高熵合金已经被发现、被研究，并且在高熵合金的基础上，若高熵合金的组成元素中有W、Ta、Mo、Nb、Zr、Ti、V、Cr、Hf九种难熔元素中的四种及以上，便可称之为难熔高熵合金。难熔元素的引入也使得高熵合金的潜在应用领域进一步增大，如航空、航天、运输、核能等。
目前针对难熔高熵合金的研究大多表明其有作为结构材料的应用潜力，很少有作为工具材料的应用潜力，如刀具等。因此开发出高强度高硬度的可作为工具材料的难熔高熵合金便显得至关重要。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金及其制备方法，旨在通过调整各元素的比例，使所得高熵合金同时具备较高强度和较高硬度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，其特点在于：所述高熵合金的组成元素为W、Ta、V、Zr，成分为Wx(TaVZr)100-x，其中x＝5～25，x为W的原子百分数。
本发明所述W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取W、Ta、V和Zr块状金属原料，使用锉刀和砂纸打磨金属表面以去除其表面氧化层和附着的杂质，将打磨后的金属原料放在乙醇中进行超声清洗并进行烘干；
按配比称取各原料；
步骤2、将配制好的各原料按熔点从低到高依次放入真空非自耗电弧熔炼设备的坩埚中；
将设备抽真空至8×10-4Pa以下，并充入氩气作为保护气且使熔炼室压强达到-0.05MPa；
步骤3、调整熔炼电流为180A-190A并进行引弧操作，对钛锭进行熔炼以吸收残余的氧气，然后调整熔炼电流为210A-270A，分别对坩埚中的合金进行10次熔炼，每次熔炼结束后使用翻料勺对合金进行翻面操作且单次熔炼时合金处于液态时间应不低于5分钟，以确保制备出均匀的合金；待熔炼结束后即获得W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金。
优选的，步骤1中，W、Ta、V、Zr块状金属原料的纯度均不低于99.99％。
优选的，步骤1中，称重时精确至±0.001g。
优选的，步骤3中，所述引弧电流为20-25A。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过W、Ta、V、Zr四种难熔金属元素构成W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，具有高强度和高硬度。
2、本发明的难熔高熵合金中全部使用了难熔元素，其中钨和钽的熔点较高、钒和锆的密度较低，使得合金熔点在提高的同时也降低了其密度，使其拥有良好的应用前景。
3、本发明的难熔高熵合金所使用的金属元素均为低活化性元素，使其在核能领域有着巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1所得W5(TaVZr)95合金的XRD图谱。
图2为本发明实施例1所得W5(TaVZr)95合金的室温压缩应力-应变曲线图。
图3为本发明实施例1所得W5(TaVZr)95合金的微观结构图像。
图4为本发明实施例2所得W10(TaVZr)90合金的XRD图谱。
图5为本发明实施例2所得W10(TaVZr)90合金的室温压缩应力-应变曲线图。
图6为本发明实施例2所得W10(TaVZr)90合金的微观结构图像。
图7为本发明实施例3所得W15(TaVZr)85合金的XRD图谱。
图8为本发明实施例3所得W15(TaVZr)85合金的室温压缩应力-应变曲线图。
图9为本发明实施例3所得W15(TaVZr)85合金的微观结构图像。
图10为本发明实施例4所得W20(TaVZr)80合金的XRD图谱。
图11为本发明实施例4所得W20(TaVZr)80合金的室温压缩应力-应变曲线图。
图12为本发明实施例4所得W20(TaVZr)80合金的微观结构图像。
图13为本发明实施例5所得W25(TaVZr)75合金XRD图谱。
图14为本发明实施例5所得W25(TaVZr)75合金的室温压缩应力-应变曲线图。
图15为本发明实施例5所得W25(TaVZr)75合金的微观结构图像。
图16为本发明各实施例所得W-Ta-V-Zr系难熔合金合金的硬度图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
下述实施例中所制备的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金均按以下步骤获得：
步骤1、取W、Ta、V和Zr块状金属原料，使用锉刀和砂纸打磨金属表面以去除其表面氧化层和附着的杂质，将打磨后的金属原料放在乙醇中进行超声清洗并进行烘干；
按配比称取各原料；
步骤2、将配制好的各原料按熔点从低到高依次放入真空非自耗电弧熔炼设备的坩埚中；
将设备抽真空至8×10-4Pa以下，并充入氩气作为保护气且使熔炼室压强达到-0.05MPa；
步骤3、调整熔炼电流为180A-190A并进行引弧操作，对钛锭进行熔炼以吸收残余的氧气，然后调整熔炼电流为210A-270A，分别对坩埚中的合金进行10次熔炼，每次熔炼结束后使用翻料勺对合金进行翻面操作且单次熔炼时合金处于液态时间应不低于5分钟，以确保制备出均匀的合金；待熔炼结束后即获得W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金。
实施例1
本实施例的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，成分为W5(TaVZr)95，即W、Ta、V、Zr的原子百分数分别为5at.％、31.666at.％、31.667at.％、31.667at.％。
图1为本实施例所得W5(TaVZr)95合金的XRD图谱，表明该合金相由三个相组成，分别为BCC相、HCP相和Laves相。
图2为本实施例所得W5(TaVZr)95合金的室温压缩应力-应变曲线图，经测试该合金在室温下的维氏硬度为568.55HV、屈服强度为1679.31MPa，塑性为3.16％，表明该合金同时具有较高的强度和硬度，并且具有一定的塑性。
图3为本实施例所得W5(TaVZr)95合金的微观结构图像，结果表明该合金呈现出枝晶结构。
实施例2
本实施例的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，成分为W10(TaVZr)90，即W、Ta、V、Zr的原子百分数分别为10at.％、30at.％、30at.％、30at.％。
图4为本实施例所得W10(TaVZr)90合金的XRD图谱，表明该合金相由三个相组成，分别为BCC相、HCP相和Laves相。
图5为本实施例所得W10(TaVZr)90合金的室温压缩应力-应变曲线图，经测试该合金在室温下的维氏硬度为602.35HV、屈服强度为1799.40MPa，塑性为2.45％，表明该合金同时具有较高的强度和硬度，并且本实施例和实施例1比较，所得合金的屈服强度和硬度得到了提升，但塑性略微下降。
图6为本实施例所得W10(TaVZr)90合金的微观结构图像，结果表明该合金呈现出枝晶结构。
实施例3
本实施例的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，成分为W15(TaVZr)85，即W、Ta、V、Zr的原子百分数分别为15at.％、28.333at.％、28.334at.％、28.334at.％。
图7为本实施例所得W15(TaVZr)85合金的XRD图谱，表明该合金相由三个相组成，分别为BCC相、HCP相和Laves相。
图8为本实施例所得W15(TaVZr)85合金的室温压缩应力-应变曲线图，经测试该合金在室温下的维氏硬度为615.41HV、屈服强度为1891.22MPa，塑性为2.00％，表明该合金同时具有较高的强度和硬度，并且本实例中的数值较上述实施案例有所上升，但塑性略微下降。
图9为本实施例所得W15(TaVZr)85合金的微观结构图像，结果表明该合金呈现出枝晶结构。
实施例4
本实施例的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，成分为W20(TaVZr)80，即W、Ta、V、Zr的原子百分数分别为20at.％、26.666at.％、26.667at.％、26.667at.％。
图10为本实施例所得W20(TaVZr)80合金的XRD图谱，表明该合金相由三个相组成，分别为BCC相、HCP相和Laves相。
图11为本实施例所得W20(TaVZr)80合金的室温压缩应力-应变曲线图，经测试该合金在室温下的维氏硬度为635.81HV、屈服强度为1984.63MPa，塑性为1.54％，表明该合金同时具有较高的强度和硬度，并且本实例中的数值较上述实施案例有所上升，但塑性略微下降。
图12为本实施例所得W20(TaVZr)80合金的微观结构图像，结果表明该合金呈现出枝晶结构。
实施例5
本实施例的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，成分为W25(TaVZr)75，即W、Ta、V、Zr的原子百分数分别为25at.％、25at.％、25at.％、25at.％。
图13为本实施例所得W25(TaVZr)75合金的XRD图谱，表明该合金相由三个相组成，分别为BCC相、HCP相和Laves相。
图14为本实施例所得W25(TaVZr)75合金的室温压缩应力-应变曲线图，经测试该合金在室温下的维氏硬度为648.98HV、屈服强度为1934.28MPa，塑性为1.19％，表明该合金同时具有较高的强度和硬度，但本实例中的强度较上一实施案例有所降低。
图15为本实施例所得W25(TaVZr)75合金的微观结构图像，结果表明该合金呈现出枝晶结构。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高强度高硬度的W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的组成元素为W、Ta、V、Zr，成分为Wx(TaVZr)100-x，其中x＝5～25，x为W的原子百分数。
2.一种权利要求1所述W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、取W、Ta、V和Zr块状金属原料，使用锉刀和砂纸打磨金属表面以去除其表面氧化层和附着的杂质，将打磨后的金属原料放在乙醇中进行超声清洗并进行烘干；
按配比称取各原料；
步骤2、将配制好的各原料按熔点从低到高依次放入真空非自耗电弧熔炼设备的坩埚中；
将设备抽真空至8×10-4Pa以下，并充入氩气作为保护气且使熔炼室压强达到-0.05MPa；
步骤3、调整熔炼电流为180A-190A并进行引弧操作，对钛锭进行熔炼以吸收残余的氧气，然后调整熔炼电流为210A-270A，分别对坩埚中的合金进行10次熔炼，每次熔炼结束后使用翻料勺对合金进行翻面操作且单次熔炼时合金处于液态时间应不低于5分钟，以确保制备出均匀的合金；待熔炼结束后即获得W-Ta-V-Zr系难熔高熵合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，W、Ta、V、Zr块状金属原料的纯度均不低于99.99％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，称重时精确至±0.001g。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤3中，引弧电流为20-25A。
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