CN116065079B - 一种高延展性和高耐热的高熵合金及其制法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高延展性和高耐热的高熵合金及其制法和用途。本发明的高熵合金(TixZryHfz)50(CoαNiβCuγ)50，依赖于冷却速度，生成玻璃相、玻璃+有序化的bccB2相、B2相，这些相合金显示出高强度，高弹性应变，高塑性应变，高塑性加工性，高耐热性，高耐腐蚀性，高耐氧化性，已经明确可以得到高延展性的玻璃相或金属间化合物相(B2相)合金。从这些特性可以期待使本系合金作为兼具新型的高延展性，高强度，高耐热特性的钛合金或锆合金而被广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于功能性金属材料领域，具体涉及一种高延展性和高耐热的高熵合金及其制法和用途。
背景技术
自发现可以多成分合金通过铜模铸造法生产块状金属玻璃以来，人们对多成分合金的兴趣迅速增加。其结果，制造出ZrAlNiCu系，ZrTiBeNiCu系，Fe过渡金属(TM)半金属系的多成分块状金属玻璃，现已作为功能结构材料或软磁性材料被广泛应用于各个领域，其制造量，使用量都在逐年增加。
在多成分合金中，除了块状金属玻璃以外，对各构成元素为等比成分或接近等比成分的高熵合金的研究也成为热点。这种合金始于Ti20Zr20Hf20Ni20Cu20块状金属玻璃。在金属玻璃相以外，由Cr20Mn20Fe20Co20Ni20的体心立方结构(bcc)或AlCrFeCoNi的面心立方结构(fcc)的固溶体构成的结晶合金相继被发现。迄今为止，作为高熵合金，已知有玻璃相，fcc，bcc，fcc+bcc，hcp相，然而这些结晶高熵合金的延展性和耐热性欠佳。
但是，关于由高熵成分构成的金属间化合物单相或玻璃相+金属间化合物的复相的合金的生成和特性，几乎是未知的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高延展性和高耐热的高熵合金及其制法和用途。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高熵合金，其组成为(TixZryHfz)50(CoαNiβCuγ)50，其中的(TixZryHfz)为ETM基底合金，(CoαNiβCuγ)为LTM基底合金，两种基底合金的占比(原子百分比)相等；
其中的x、y、z为各成分占ETM基底合金的原子百分比，x＝30-50，y＝30-70，z＝0-35；
所述的ETM基底合金，可在≤20％(原子百分比)的范围内添加Nb和/或Ta；优选在≤12％(原子百分比)的范围内添加Nb和/或Ta；特别优选在≤10％(原子百分比)的范围内添加Nb和/或Ta；
其中的α、β、γ为各成分占LTM基底合金的原子百分比，α＝30-50，β＝30-50，γ＝0-35；
所述的LTM基底合金，可在≤15％(原子百分比)的范围内添加Fe；优选在≤12％(原子百分比)的范围内添加Fe；特别优选在≤8％(原子百分比)的范围内添加Fe；
所述的ETM基底合金和LTM基底合金，可在﹤2％(原子百分比)的范围内添加稀土类元素、Cr、Mo、V、Mn、Ag、Pd或Pt中的一种以上；
所述的高熵合金，还含有占比(原子百分比)1-10％的Al，优选含有占比(原子百分比)2-8％的Al，特别优选含有占比(原子百分比)4-6％的Al。
上述高熵合金的制作方法，包括以下步骤：
将各合金成分(金属小块或粉末)熔炼制成合金的熔融物，然后使熔融物冷却并凝固，得到高熵合金。
所述的高熵合金为通过铜模吸铸法、铜模差压铸造法、喷射铸造法、锻造铸造法、锁模铸造法、倾斜铸造法或铸模溶液喷射法中的至少一种方法制备得到。
所述的高熵合金为直径1～5mm的圆柱状棒材、厚度20～50um的板材或厚度40～80um的带材中的至少一种。
所述的冷却为保持在过冷液体状态下冷却。
所述的冷却的条件为以下至少一种：
当板材厚度在32um以下，以100000K/s以上的速度冷却时，形成玻璃相；
当带材厚度48～70um、棒材直径1mm以下，以5000～100000K/s的速度冷却时，形成玻璃+B2相；
当棒材直径2mm以上，以3000K/s以下的速度冷却时，形成B2相。
所述的高熵合金的晶相为B2相或玻璃+B2相。
本发明的高熵合金可以用于制备功能结构材料或软磁性材料。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明的高熵合金(TixZryHfz)50(CoαNiβCuγ)50，依赖于冷却速度，生成玻璃相、玻璃+B2相、B2相，这些相合金显示出高强度，高弹性应变，高塑性应变，高塑性加工性，高耐热性，高耐腐蚀性，高耐氧化性，已经明确可以得到高延展性的玻璃相或金属间化合物相(B2相)合金。从这些特性可以期待使本系合金作为兼具新型的高延展性，高强度，高耐热特性的钛合金或锆合金而被广泛应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
按表1所示的合金成分配取合金原料，制成母合金的熔融物之后，保持在过冷液体状态下冷却并凝固，通过铜模吸铸法制成试料直径2mm的圆柱状棒材的试料，检测其各项特性参数。
本发明实施例合金样品的成分组成和特性参数如表1所示。
使用英斯特朗(型)试验机通过压缩试验法测定压缩应力-应变曲线，根据该曲线来评价塑性应变。
此外，由英斯特朗试验机在拉伸负载下、压缩负载下，在室温下，以应变速度2×10-4～9×10-4/秒来获得应力-伸长曲线或应力-应变曲线，根据该曲线测定压缩断裂强度(MPa)和屈服强度(MPa)。
弹性模量的检测按照《GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法》在拉力试验机上进行，引伸计精度优于0.5级，试样要求以《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准。
耐热强度检测方法为，在大气氛围中，按照50K/min的速度加热到预设温度(873K)，到达预设温度后保温10min，使用英斯特朗万能试验机，以应变速率4×10-3/秒，在一轴压缩应力下发生了变形，记录压强为耐热强度。
耐氧化性测试方法为，使用热重量分析装置，在大气氛围中以20K/秒的速度加热，通过检测加热过程中试料重量变化来进行评价，单位为mg/y(毫克/年)，其含义为每年因为氧化而增加的试料重量。
其他未尽事宜为公知技术和做法。
实施例2
按表1所示的合金成分配取合金原料，制成母合金的熔融物之后，采用单辊快淬法，使用直径250mm铜辊，通过改变铜辊转速进行制备；48um带材铜辊转速约为2000RPM，70um带材铜辊转速约为1000RPM；熔融物喷射温度为熔点+100℃；得到48um带材和70um的带材。
性能测试方法参照实施例1。
表1为实施例1制备得到的材料的性能数据，由表1可以看出，本发明的高熵合金显示出高强度，高弹性应变，高塑性应变，高塑性加工性，高耐热性，高耐腐蚀性，高耐氧化性，可以得到高延展性的玻璃相或金属间化合物相合金。
表1：实施例合金样品的成分组成和特性参数
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高延展性和高耐热的高熵合金，其特征在于：
以原子百分比计，组成为(Ti46Zr46Nb8)50 (Co34Ni34Cu32)50、(Ti44Zr44Nb12)50(Co46Ni46Fe8)50、(Ti32Zr32Hf32Nb4)50 (Co34Ni34Cu32)50、(Ti46Zr46Nb4Ta4)50 (Co34Ni34Cu32)50、(Ti48Zr48Ta4)50 (Co44Ni44Fe12)50、(Ti34Zr34Hf32)48(Co33Ni33Cu34)48Al4、(Ti40Zr40Hf20)47(Co33Ni33Cu34)47Al6、(Ti30Zr30Hf30Nb10)48(Co33Ni33Cu34)48Al4、(Ti40Zr40Nb20)47(Co33Ni33Cu34)47Al6、(Ti44Zr44Ta12)47(Co33Ni33Cu34)47Al6中的至少一种，其中的数字为各成分占合金的百分比。
2.权利要求1所述高熵合金的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
将各合金成分在氩气中用高频熔炼炉熔炼，然后使熔融物冷却并凝固，得到高熵合金。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：
所述的高熵合金为直径1～5mm的圆柱状棒材、厚度20～50um的板材或厚度40～80um的带材中的至少一种。
4.权利要求1所述高熵合金在制备功能结构材料或软磁性材料中的应用。
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