CN116065076B - 一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。本发明属于新型金属材料技术领域。本发明的目的是为了解决现有难熔多主元高温合金密度和制备成本高以及强塑不匹配的技术问题。本发明的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为轻质元素,a=30at.%~45at.%,b=30at.%~45at.%,c=15at.%~25at.%,d=2at.%~18at.%。方法:将铸锭置于真空电弧炉中,抽真空后在惰性气体保护下进行熔炼,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金。本发明中的难熔多主元合金具有较低的密度,较高的热稳定性,良好的综合力学性能。通过调控主元含量来调控合金中第二相、共晶组织的析出体积分数,以获得强度和塑性良好匹配的优异合金。本发明主要应用于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明属于新型金属材料技术领域,具体涉及一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。
背景技术
航空航天发展应用对高温结构材料提出了更高的要求,探寻轻质、耐高温的高温合金具有重要意义。目前传统合金因自身熔点受限,使其服役温度接近极限。2004年,叶均蔚提出“多主元高熵合金”,指含有至少五种元素,各元素的含量为5%至35%(at.%)。由于高混合熵和独特的“四大效应”使其具有良好的强度塑性匹配,优异的腐蚀性和抗氧化性等,促使这类合金突破传统材料的性能极限成为可能。
目前,难熔多主元合金虽具有极高的高温性能,但难熔元素高含量的加入,将会导致高密度和高成本的应用局限,这将对航空航天高温领域造成困境。另外,难熔多主元合金大多具有BCC单相结构,具有多相/增强相的难熔多主元合金相对较少,目前处于不断开发中。其中,强度和塑性的协同调控始终是一个重要问题。例如,Senkev等最初开发的NbMoTaW和NbMoTaWV两种BCC单相合金虽具有极高的高温性能,但室温下极脆,这极大限制了工程应用。其次,金属间化合物、纳米相的析出使得多相合金存在强度-塑性矛盾的情况,带来高强度的同时,严重损失了塑性,导致合金综合性能不佳。因此,开发具有低密度且强塑匹配良好的难熔多主元合金具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有难熔多主元高温合金密度和制备成本高以及强塑不匹配的技术问题,而提供一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。
本发明的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为轻质元素,a=30at.%~45at.%,b=30at.%~45at.%,c=15at.%~25at.%,d=2at.%~18at.%。
进一步限定,所述轻质元素为Al、Si、C、B中的一种或几种。
进一步限定,所述低密度难熔多主元合金为多相合金。
本发明的一种低密度难熔多主元合金的制备方法按以下步骤进行:
按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中,抽真空后充入惰性气体,在惰性气体保护下,于400A~500A下进行熔炼,然后在所有铸锭完全融化后继续在400A~500A下熔炼1min~3min,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金。
进一步限定,熔炼过程中对铸锭进行多次翻转,确保熔炼均匀彻底。
进一步限定,各元素铸锭的纯度不低于99.99%。
进一步限定,熔炼前对各元素铸锭进行预处理,所述预处理过程为:先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮,然后置于酒精中超声清洗2min~4min,清洗后烘干。
进一步限定,抽真空至真空度为8×10-4Pa。
进一步限定,充入惰性气体至炉内气压为0.95MPa。
进一步限定,将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时,按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置。
本发明的低密度难熔多主元合金应用于航空航天领域。
本发明与现有技术相比具有的显著效果:
1)本发明的难熔多主元合金因析出第二相/共晶组织,导致相界面增加,这些界面将在变形过程中,有效阻碍位错运动,从而提升强度。析出相/共晶组织与基体间的良好结合有效的促进了位错在界面上的滑动,延缓了裂纹扩展,有效提高了塑性。所提供的合金兼具良好的强度和塑性,能够较好的满足实际应用的不同场合。
2)本发明的低密度难熔多主元合金密度低于7g/cm3,最低达到6g/cm3,能够更好的服务、应用于航空航天领域。
3)本发明的低密度难熔多主元合金,室温塑性基本上都达到了18%及以上,室温屈服强度均大于1GPa,其中TiNbMo0.5Al0.225室温塑性约34%,屈服强度可达到1045MPa。TiNbMo0.5Al0.225Si0.1屈服强度达到1570MPa,极限应变达到20%。
4)本发明的低密度难熔多主元合金,高温下具有极高的相稳定性,强度相较于室温下降低不大,塑性显著提升,几乎观察不到软化现象。其中,Ti40.7Nb33.3Mo21.3Si4.7合金800℃高温下的屈服强度达到1042MPa,极限应变约30%。
附图说明
图1为实施例1的低密度难熔多主元合金的显微组织图;
图2为实施例1的低密度难熔多主元合金的压缩应力-应变曲线图;
图3为实施例2的低密度难熔多主元合金的显微组织图;
图4为实施例2的低密度难熔多主元合金的压缩应力-应变曲线图;
图5为实施例3的低密度难熔多主元合金的显微组织图;
图6为实施例3的低密度难熔多主元合金的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
实施例1:本实施例的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为Al,a=36.70at.%,b=36.70at.%,c=18.35at.%,d=8.25at.%,即TiNbMo0.5Al0.225;
其具体制备方法按以下步骤进行:
按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中,抽真空至真空度为8×10-4Pa后充入惰性气体至炉内气压为0.95MPa,在惰性气体保护下,于450A下进行熔炼,然后在所有铸锭完全融化后继续在450A下熔炼2min,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金;
其中,熔炼过程中对铸锭进行多次翻转,确保熔炼均匀彻底,各元素铸锭的纯度不低于99.99%,熔炼前对各元素铸锭进行预处理,所述预处理过程为:先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮,然后置于酒精中超声清洗3min,清洗后烘干,将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时,按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置,低熔点原料置于下层,最外层放置熔点最高的原料,以确保熔炼过程中高熔点原料完全熔透以及低熔点原料挥发降至最低。
实施例2:本实施例的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为Al和Si,a=35.40at.%,b=35.40at.%,c=17.70at.%,d(Al)=7.96at.%,d(Si)=3.54at.%;即TiNbMo0.5Al0.225Si0.1;
其具体制备方法按以下步骤进行:
按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中,抽真空至真空度为8×10-4Pa后充入惰性气体至炉内气压为0.95MPa,在惰性气体保护下,于450A下进行熔炼,然后在所有铸锭完全融化后继续在450A下熔炼2min,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金;
其中,熔炼过程中对铸锭进行多次翻转,确保熔炼均匀彻底,各元素铸锭的纯度不低于99.99%,熔炼前对各元素铸锭进行预处理,所述预处理过程为:先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮,然后置于酒精中超声清洗3min,清洗后烘干,将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时,按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置,低熔点原料置于下层,最外层放置熔点最高的原料,以确保熔炼过程中高熔点原料完全熔透以及低熔点原料挥发降至最低。
实施例3:本实施例的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为Si,a=40.70at.%,b=33.30at.%,c=21.30at.%,d=4.70at.%;即Ti40.7Nb33.3Mo21.3Si4.7;
其具体制备方法按以下步骤进行:
按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中,抽真空至真空度为8×10-4Pa后充入惰性气体至炉内气压为0.95MPa,在惰性气体保护下,于450A下进行熔炼,然后在所有铸锭完全融化后继续在450A下熔炼2min,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金;
其中,熔炼过程中对铸锭进行多次翻转,确保熔炼均匀彻底,各元素铸锭的纯度不低于99.99%,熔炼前对各元素铸锭进行预处理,所述预处理过程为:先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮,然后置于酒精中超声清洗3min,清洗后烘干,将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时,按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置,低熔点原料置于下层,最外层放置熔点最高的原料,以确保熔炼过程中高熔点原料完全熔透以及低熔点原料挥发降至最低。
效果例:
为了说明本发明提供的低密度难熔多主元合金的性能,对实施例1-3进行相关组织性能分析,具体过程如下:
(1)将实施例1-3得到的低密度难熔多主元合金铸锭进行线切割,切割为直径为4mm,高度为6mm的圆柱多个,以及6×6×6mm的立方体多个。
(2)对步骤(1)中切割的立方体进行研磨和抛光处理后在扫描电镜下观察微观组织形貌,结果如图1、3、5所示;
(3)室温/高温环境中将步骤(1)得到的圆柱试样置于万能试验机下,软件上选择金属材料室温压缩性能测试,试样形状选择圆柱形,以10-3s-1的应变率对圆柱试样进行压缩性能测试,软件自动记录应力-应变曲线,直至材料断裂或应变达到50%后停止,结果如图2、4、6所示。
结论:
①本发明实施例1采用通过合金化轻量元素Al,获得了双相难熔多主元合金。通过片状弥散分布于枝晶间,有效阻碍位错运动,从而提高强度(图1)。第二相与基体间的共格关系,有效降低了界面应力,促使位错滑动,应力难以在相界集中,从而有效延缓了裂纹萌生与扩展。另外,弥散破碎的第二相有效阻碍了高温时再结晶过程。室温下,合金表现出高屈服强度和良好的压缩塑性,分别为σ0.2=1045MPa,σp=1481MPa,εp=34%。高温下(800℃),合金表现出优异的压缩塑性,同时强度损失不大,具有优异的热稳定性,分别为σ0.2=710MPa,σp=1010MPa,εp=44%(图2)。
②本发明实施例2采用通过Al和Si共同合金化,获得了具有共晶组织的难熔多主元合金。根据背散射原理,暗相为(Ti,Nb)5Si3硅化物(图3)。与实施例1压缩性能对比发现,添加Si元素后,显著提高了合金强度,但合金塑性略有降低,仍保证了可观的塑性,其屈服强度约为1570MPa(室温)和1012MPa(高温),对应的塑性分别为20%和32%(图4)。由于片层共晶组织的生成,相界面增加,这些界面将在变形过程中,有效阻碍位错运动,从而提升强度。由于硅元素添加含量较少,因此硅化物的体积分数不大,提升强度的同时不会急剧降低塑性。
③本发明实施例3采用通过合金化Si元素,获得了具有共晶组织的难熔多主元合金。其中,硅化物相较于实施例2明显增多,硅化物呈多边形状及片状(图5)。在室温下,屈服强度达到1610MPa,抗压强度1778MPa,极限应变达到18%。与实施例2压缩性能对比看出,强度进一步提升,并且塑性降低~2%。在高温下,屈服强度达到1042MPa,抗压强度1314MPa,极限应变达到30%(图6)。
综上可以看出,本发明提供的低密度难熔多主元合金具有良好的综合力学性能。室温下,屈服强度均大于1GPa,最大应变高于18%。在高温环境下,几乎观察不到软化,并且高温环境相较于室温下降并不剧烈,显示出优异的高温稳定性。所提供的合金兼具良好的强度和塑性,能够较好的满足实际应用的不同场合。另外,所提供的合金密度均小于7g/cm3,最低达到6g/cm3,能够更好的服务应用于航空航天领域。
Claims (9)
1.一种低密度难熔多主元合金,其特征在于,该低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为TiaNbbMocMd,其中M为轻质元素,a=30at.%~45at.%,b=30at.%~45at.%,c=15at.%~25at.%,d=2at.%~18at.%,所述轻质元素为Al、Si中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种低密度难熔多主元合金,其特征在于,所述低密度难熔多主元合金为多相合金。
3.如权利要求1-2任意一项所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,该制备方法按以下步骤进行:
按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中,抽真空后充入惰性气体,在惰性气体保护下,于400A~500A下进行熔炼,然后在所有铸锭完全融化后继续在400A~500A下熔炼1min~3min,随炉冷却,得到低密度难熔多主元合金。
4.根据权利要求3所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,熔炼过程中对铸锭进行多次翻转,确保熔炼均匀彻底。
5.根据权利要求3所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,各元素铸锭的纯度不低于99.99%。
6.根据权利要求3所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,熔炼前对各元素铸锭进行预处理,所述预处理过程为:先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮,然后置于酒精中超声清洗2min~4min,清洗后烘干。
7.根据权利要求3所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,抽真空至真空度为8×10-4Pa,充入惰性气体至炉内气压为0.95MPa。
8.根据权利要求3所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法,其特征在于,将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时,按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置。
9.如权利要求1-2任意一项所述的一种低密度难熔多主元合金的应用,其特征在于,该低密度难熔多主元合金应用于航空航天领域。
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