CN116005059A

CN116005059A - 一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金

Info

Publication number: CN116005059A
Application number: CN202211639070.2A
Authority: CN
Inventors: 韩冬; 杨柏俊; 孙文海; 王晓明; 韩国峰; 徐文龙; 吕威闫; 王建强
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明公开了一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，属于金属材料技术领域。所述高熵合金由Ta、Mo、Zr、Ti和Al组成。本发明制备出的难熔高熵合金具有双BCC(BCC1+BCC2)结构，在室温下抗压强度超过2000MPa，压缩塑性超过10％，有望应用于高温材料领域。本发明合金制备方法简单、易行，具有规模化应用前景。

Description

一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金。

背景技术

传统高温合金是指服役温度在600℃以上，能承受较大的复杂应力，并且具有优异热力学稳定性的铁基、镍基或钴基合金，被广泛应用于各种先进航空发动机、工业燃气轮机以及其他高端制造领域。其中，镍基高温合金是当前最为广泛应用的高温结构材料之一。然而，目前镍基高温合金的最高熔点受限于1350℃左右，并且经若干年深入挖掘，其性能也已接近其使用极限，无法满足未来航空、航天、船舶等工业对热端部件性能的使役需求。因此，发展新型高温合金结构材料具有重要研究价值和广阔的应用前景。

高熵合金设计理念的提出为突破高温合金瓶颈提供了新思路。不同于传统单一主元合金，高熵合金是由5种或5种以上元素按照等原子比或近等原子比组成的一类新型合金。其中，由Ta、Nb、V、Mo、W、Cr、Hf、Zr、Ti等高熔点元素组成的高熵合金被称为难熔高熵合金。得益于各组成元素的高熔点特性，难熔高熵合金普遍具有较高的高温强度、卓越的抗高温氧化能力以及优异的高温稳定性等特点，被材料科学家们普遍视为新一代高温材料的潜在候选者。

然而，已报道的难熔高熵合金大多以单一BCC结构相为主，且普遍存在室温脆性问题，严重限制了其应用潜力。以广泛研究的MoNbTaW和MoNbTaWV系合金为例，该合金结构为单一BCC结构，在1600℃时，两种合金屈服强度仍能够保持在400MPa以上；但在室温下塑性不足2％。因此，开展兼具高强韧性新型结构的难熔高熵合金体系开发已成为目前难熔高熵合金领域的研究热点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明利用熔炼冷却过程中溶质元素间择优偏聚特性，提供了一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，通过利用合金中两种BCC结构相之间的异质变形行为，增强合金背应力强化能力，以此实现合金强度与塑性的良好匹配。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，该高熵合金的化学成分为：Ta20～25at.％、Mo 20～25at.％、Zr 20～25at.％、Ti 20～25at.％、Al 5～10at.％。

该高熵合金的铸态组织为双BCC(BCC1+BCC2)结构。

该高熵合金室温条件下抗压强度超过2000MPa，压缩塑性超过10％。

所述高熵合金采用真空电弧方法熔炼制备。

本发明有益效果如下：

(1)本发明选取Ta、Mo、Zr、Ti、Al五种元素为合金组元，其中Ta、Mo、Zr、Ti四种合金元素均为具有高熔点的难熔元素，因此制备的合金具有良好的抗高温软化能力。

(2)本发明合金具有双BCC(BCC1+BCC2)结构，在继承单一BCC结构金属高强度的优势外，通过利用两种BCC结构相在形变过程中的异质变形特征，引入背应力强化，实现应变动态再分布，提高合金的加工硬化能力，保证合金在室温下具有良好塑性。

(3)本发明提供了一种在难熔高熵合金中实现异质结构构筑的方法，为难熔高熵合金的强韧性匹配提供了新思路。

附图说明

图1为实施例1中TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金的X射线衍射(XRD)图谱。

图2为实施例1中TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金的扫描电镜背散射图片。

图3为实施例1中TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金的室温压缩应力-应变曲线。

图4为实施例2中TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金的扫描电镜背散射图片。

图5为对比例具有单一BCC结构TaMoCrTiAl难熔高熵合金的XRD图谱。

图6为对比例具有单一BCC结构TaMoCrTiAl难熔高熵合金的扫描电镜背散射图片。

图7为对比例具有单一BCC结构TaMoCrTiAl难熔高熵合金的室温压缩应力-应变曲线。

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清晰明了，下面结合附图对本发明的具体实施例和对比例做详细说明。

实施例1：

本实施例中难熔高熵合金的化学成分表达式为TaMoZrTiAl_0.35，其中Ta、Mo、Zr、Ti和Al合金元素的原子百分比分别为23％、23％、23％、23％和8％。

本实施例TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金的制备方法包括以下步骤：

S1；采用纯度99.9wt.％以上的冶金元素为原料，利用锉刀或砂纸清除Ta、Mo、Zr、Ti和Al表面的氧化层，然后将打磨好的原料放入乙醇或丙酮中超声清洗，最后将原料取出并风干或吹干；

S2；按照设计成分的原子比分别计算每种合金所需Ta、Mo、Zr、Ti和Al的质量，再进行称重配比，称重时应精确至±0.001g，供熔炼制备合金使用；

S3；按照原料中各冶金元素的熔点高低，由低到高，自下而上依次将各冶金元素的金属原料放置于真空非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并将真空非自耗电弧熔炼炉的样品室气压抽至5×10^-3Pa，最后向样品室中充入纯度≥99.9％的高纯氩气；

S4；真空电弧熔炼，为保证合金成分均匀，待合金原料完全熔化后进行熔炼，每个合金锭至少熔炼6次，熔炼电流为250～280A；

S5；样品室内冷却至室温时取出熔炼制得的TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金。

本实施例所得TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金的组织结构表征及力学性能测试：

(1)合金相结构的XRD分析

从实施例1制得的合金锭上利用电火花切割机切取5mm×5mm×2mm的小方块，然后对其依次用600#、800#、1000#和2000#砂纸进行打磨，酒精清洗，冷风吹干。然后利用X射线衍射仪对制备好的样品进行相组成分析，扫描角度2θ的范围从20°到80°，扫描速度为2°/min。

如图1所示，XRD的衍射峰峰形尖锐，表明合金的结晶度高。从衍射峰分布可以得出该合金具有双BCC(BCC1+BCC2)结构。其中BCC1峰强较弱且衍射角均小于BCC2相，说明BCC1晶格常数大于BCC2相，但合金中BCC1相的体积分数相对较低。进一步地，经Jade软件拟合计算，BCC1和BCC2相的晶格常数分别为3.380nm和3.246nm。

(2)合金组织的扫描电镜观察表征

从实施例1制得的合金锭上利用电火花切割机切取5mm×5mm×3mm的小方块，然后对其依次用600#、800#、1000#和2000#砂纸进行打磨，并采用0.05μm的SiO₂悬浮液对其打磨表面进行震动抛光，最后用酒精超声5min，吹干备用。SEM表征时采用背散射模式。

如图2所示，在背散射模式下，合金呈现出亮和暗两种衬度，印证了该合金由两相结构组成。进一步地，能谱分析结果表明亮相主要富含Ta和Mo元素，而暗色相富含Zr和Al元素，Ti元素分布相对均匀，具体成分列于表1。综合XRD结果可知，富含Ta和Mo元素相为BCC2相，富含Zr和Al元素相为BCC1相。

表1为TaMoZrTiAl_0.35难熔高熵合金BCC1和BCC2相的化学组成(at.％)

相	Ta	Mo	Zr	Ti	Al
						BCC1	7.96	13.18	40.54	26.96	11.34
BCC2	31.98	32.00	9.86	23.44	2.73

(3)合金的显微硬度分析

用做合金显微硬度分析的样品尺寸为

样品依次经600#、800#、1000#和2000#砂纸打磨后，用1.5μm金刚石抛光膏机械抛光，然后用酒精超声5min，吹干备用。采用MHVD-1000AP显微硬度计测试合金的显微硬度，测试时加载力为500g，保持时间15s，测试时每种相采集7个有效数据点，它们的平均值作为最后的结果。

测试结果表明，BCC1相硬度为634.3±8.5HV，BCC2相硬度为717±6.8HV。

(4)合金的室温压缩性能测试

用于室温力学性能分析的样品尺寸为

圆柱侧面用无心磨床打磨，断面用金相砂纸打磨平整。室温实验采用设备为Instron5582万能试验机，压缩应变速率为1×10^-3/s，测试采用3个平行样品。

如图3所示，合金室温压缩强度为2128MPa，压缩塑性为13.98％，显示出良好的室温力学性能。

实施例2：

本实施例中难熔高熵合金的化学成分表达式为TaMoZrTiAl_0.44，其中Ta、Mo、Zr、Ti和Al合金元素的原子百分比分别为22.5％、22.5％、22.5％、22.5％和10％。

本实施例TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金的制备方法包括以下步骤：

S1；采用纯度超过99.9wt.％以上的冶金元素为原料，利用锉刀或砂纸清除Ta、Mo、Zr、Ti和Al表面的氧化层，然后将打磨好的原料放入乙醇或丙酮中超声清洗，最后将原料取出并风干或吹干；

S5；样品室内冷却至室温时取出熔炼制得的TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金。

图4给出了TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金的扫描电镜背散射图片。如图所示，TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金的铸态组织仍为双BCC结构。经压缩实验，本实施例所制得的双BCC结构TaMoZrTiAl_0.44难熔高熵合金的室温强度为2316MPa，塑性为11％。

实施例3：

本实施例中难熔高熵合金的化学成分表达式为TaMoZrTiAl_0.21，其中Ta、Mo、Zr、Ti和Al合金元素的原子百分比分别为23.75％、23.75％、23.75％、23.75％和5％。

本实施例TaMoZrTiAl_0.21难熔高熵合金的制备方法包括以下步骤：

S5；样品室内冷却至室温时取出熔炼制得的TaMoZrTiAl_0.21难熔高熵合金。

本实施例所制得的双BCC结构TaMoZrTiAl_0.21难熔高熵合金的室温强度为2048MPa，塑性为15％。

对比例1：

本对比例提供一种与实施例TaMoZrTiAl_0.35成分相近，但仅具有单一BCC结构的TaMoCrTiAl难熔高熵合金的制备方法，具体如下：

本对比例中高熵合金的化学成分为TaMoCrTiAl，其中Ta、Mo、Cr、Ti和Al的原子百分比分别为20％、20％、15％、30％和15％。

本对比例TaMoCrTiAl难熔高熵合金的制备方法包括以下步骤：

S1；采用纯度超过99.9wt.％以上的冶金元素为原料，利用锉刀或砂纸清除Ta、Mo、Cr、Ti和Al表面的氧化层，然后将打磨好的原料放入乙醇或丙酮中超声清洗，最后将原料取出并风干或吹干；

S2；按照设计成分的原子比分别计算每种合金所需Ta、Mo、Cr、Ti和Al的质量，再进行称重配比，称重时应精确至±0.001g，供熔炼制备合金使用；

S3；按照原料中个冶金元素的熔点高低，由低到高，自下而上依次将各冶金元素的金属原料放置于真空非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，C放在最上面，并将真空非自耗电弧熔炼炉的样品室气压抽至5×10^-3Pa，最后向样品室中充入纯度≥99.9％的高纯氩气；

S5；样品室内冷却至室温时取出熔炼制得的TaMoCrTiAl难熔高熵合金。

本对比例TaMoCrTiAl高熵合金的组织结构表征及力学性能测试方法与实施例相同。

图5展示了对比例TaMoCrTiAl高熵合金的XRD结果，可以看出对比例合金为单一BCC结构。图6给出了对比例TaMoCrTiAl高熵合金的SEM背散射图片，可以看出合金晶粒尺寸粗大，组织无明显明暗衬度差，表明合金为单一相结构。进一步地，图7中室温压缩数据结果表明，该合金室温压缩强度仅约为505MPa，压缩塑性不足2％，发生室温脆性断裂，不利于实际应用。

Claims

1.一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，其特征在于：该高熵合金化学成分为：Ta 20～25at.％、Mo 20～25at.％、Zr 20～25at.％、Ti 20～25at.％、Al 5～10at.％。

2.根据权利要求1所述的TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的铸态组织为双BCC(BCC1+BCC2)结构。

3.根据权利要求1或2所述的TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，其特征在于，所述高熵合金室温条件下抗压强度大于2000MPa，压缩塑性大于10％。

4.根据权利要求1或2所述的TaMoZrTiAl系难熔高熵合金，其特征在于，所述高熵合金采用真空电弧法熔炼制备。