CN116497256A - 一种TiVNb系含氧高温中熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TiVNb系含氧高温中熵合金及其制备方法，具体涉及高温合金材料领域，本发明解决了现有合金材料不能同时兼具低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度的问题。本发明提供的一种TiVNb系含氧高温中熵合金包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氧化物中的至少一种，钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:31‑34％；钒:31‑34％；铌:31‑34％；氧:0.01‑1.5％。所述合金能兼具低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度的特点，对航天航空领域具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金材料领域，具体涉及一种TiVNb系含氧高温中熵合金及其制备方法。
背景技术
航空航天部分结构零部件和陆地装甲关键易磨损部件对材料提出了密度小、室温至高温韧性大和硬度高耐磨的较高要求。硬度和韧性是一对矛盾体，很难同时提高。硬度高的材料往往脆性大，需要通过成分设计结合热处理和热加工调控来平衡硬度和韧性。硬质材料主要有涂层和合金两类，涂层的韧性和硬度可以在一定层厚范围内兼具，但表面处理和界面结合的问题增加了合金基底-涂层系统的制备工艺复杂性以及涂层寿命有限性。合金硬质材料以钢和金属碳氮化物为主，也有少量新发展起来的中/高熵合金。公开号为CN113652606A的中国专利公开了一种高硬度高韧性耐磨钢球，其硬度为60HRC，室温冲击韧性35J/cm2,室温性能比近几年开发的钢有所提高，但作为钢种，合金密度一般大于7.8g/cm3，且高温下强度下降较快。金属碳氮化物，以碳氮化钛、碳氮化钒钛、碳氮化硅或其中的两种与粘结软金属复合为主，密度比钢小得多，硬度至少大于40HRC，但内应力大，室温塑性差，加工时要么产生预裂纹，要么崩落，在高温下韧性也没有明显改善。
中/高熵合金因具有特殊的多主元素混合原理，表现出不同于传统材料的热力学特性。公开号为CN111364040A的中国专利公开了一种FeNiAlCrCoBx高熵合金涂层，x在0-0.75at％之间，合金硬度为344.74HV-726.02HV,然而合金具有包含M2B析出相的多相结构，难以保障韧性。公开号为CN112853191A的中国专利公开了一种高韧性TiVNbMoTaW非等比高熵合金，合金在800℃仍具有1.3GPa-1.5GPa的抗拉强度和20％-28％的延伸率，但合金的密度高，超过11g/cm3，硬度未报道。
目前，兼具低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度的合金还很缺乏，因此，开发一种低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度的合金对航空航天领域具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种TiVNb系含氧高温中熵合金及其制备方法。本发明提供的TiVNb系含氧高温中熵合金兼具低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度。
本发明提供了一种TiVNb系含氧高温中熵合金，包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氧化物中的至少一种，钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:31-34％；钒:31-34％；铌:31-34％；氧:0.01-1.5％，余量为不可避免的杂质。
在本发明的一个实施方式中，所述合金中钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:32.84％；钒:32.83％；铌:32.83％；氧:1.5％。
在本发明的一个实施方式中，所述金属氧化物为二氧化钛。
在本发明的一个实施方式中，所述金属单质的纯度超过99％。
在本发明的一个实施方式中，所述合金的相结构为高纯的BCC结构，所述合金的密度小于6.4g/cm3,维氏硬度为300-400HV，室温屈服强度为920-1330MPa,室温应变大于40％，800℃时屈服强度520-720MPa,800℃应变大于40％。
本发明还提供了一种上述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按照所述TiVNb系含氧高温中熵合金的元素配比称取钛、钒、铌的金属单质及钛、钒、铌的金属氧化物；
S2、将S1称取的原料共同放入电弧熔炼炉的铜坩埚中，并清洗腔体；
S3、调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，熔炼完成后得到合金铸锭；
S4、将S3步骤重复多次对S3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系含氧高温中熵合金。
在本发明的一个实施方式中，S1中所述的金属单质的纯度超过99％。
在本发明的一个实施方式中，S2中所述的清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10- 3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压接近但略小于腔外气压。
在本发明的一个实施方式中，所述腔内气压为0.01～0.1MPa。
在本发明的一个实施方式中，步骤S4中是将步骤S3重复3-4次。
在本发明的一个实施方式中，S3中所述的熔化的温度为2000-3000℃。
由于采取了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种TiVNb系含氧高温中熵合金，通过调配Ti、V、Nb三种金属元素以及掺入微量的钛、钒、铌的金属氧化物，得到了兼具低密度、室温强韧性、高温强度、较大硬度的高纯的BCC结构的高温中熵合金材料，即所述合金的密度小于6.4g/cm3,维氏硬度300-400HV，室温屈服强度920-1330MPa,室温应变大于40％，800℃时屈服强度520-720MPa,800℃应变大于40％。
附图说明
图1.为本发明的实施例1和实施例2中合金的XRD物相；
图2为本发明的实施例1和实施例2中合金的金相组织形貌；
图3为本发明的实施例1和实施例2中合金在室温下的压缩曲线；
图4为本发明的实施例1和实施例2中合金在800℃的压缩曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法
步骤1：按原子百分比：Ti:33％,V:33％,Nb:33％,O:1％，称取钛、钒、铌的金属单质及二氧化钛粉末，所述的金属单质的纯度超过99％；
步骤2：将步骤1称取的原料混合放入电弧熔炼炉的其中一个铜坩埚中，然后清洗腔体，所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压在0.01-0.1MPa范围内，以此减少氧等杂质；
步骤3：调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，使物质混合更均匀，熔炼完成后得到合金铸锭；
步骤4：将步骤3重复4次对步骤3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系含氧高温中熵合金。
本实施例制备得到的合金密度为6.39g/cm3,平均硬度为360HV,XRD表征合金具有BCC固溶体相，见图1所示，金相结构如图2所示，主要为粗晶BCC组织。所述合金在室温和800℃的压缩曲线分别如图3和图4所示：室温下合金的屈服强度1150MPa,室温下合金的应变大于40％；800℃时合金的屈服强度约630MPa，800℃时合金的应变大于40％。
实施例2
步骤1：按原子百分比：Ti:32.84％,V:32.83％,Nb:32.83％,O:1.5％，称取钛、钒、铌的金属单质及钒的氧化物粉末，所述的金属单质的纯度超过99％；
步骤2：将步骤1称取的原料混合放入电弧熔炼炉的其中一个铜坩埚中，然后清洗腔体，所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压在0.01-0.1MPa范围内，以此减少氧等杂质；
步骤3：调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，使物质混合更均匀，熔炼完成后得到合金铸锭；
步骤4：将步骤3重复3次对步骤3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系含氧高温中熵合金。
本实施例制备得到的合金密度约为6.385g/cm3,平均硬度为400HV,XRD表征合金具有BCC固溶体相，见图1所示，金相组织如图2所示，主要为粗晶BCC组织。合金在室温和800℃的压缩曲线分别如图3和图4所示：室温下合金的屈服强度1330MPa,室温下合金的应变大于40％；800℃时合金的屈服强度720MPa，800℃时合金的应变大于40％。
实施例3
步骤1：按原子百分比：Ti:33.17％,V:33.17％,Nb:33.16％,O:0.5％，称取钛、钒、铌的金属单质及铌的氧化物粉末，所述的金属单质的纯度超过99％；
步骤2：将步骤1称取的原料混合放入电弧熔炼炉的其中一个铜坩埚中，然后清洗腔体，所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压在0.01-0.1MPa范围内，以此减少氧等杂质；
步骤3：调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，使物质混合更均匀，熔炼完成后得到合金铸锭；
步骤4：将步骤3重复3次对步骤3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系含氧高温中熵合金。
本实施例制备得到的合金密度约为6.395g/cm3,平均硬度为300HV,XRD表征合金具有BCC固溶体相，金相组织主要为粗晶BCC组织。室温下合金的屈服强度920MPa,室温下合金的应变大于40％；800℃时合金的屈服强度520MPa，800℃时合金的应变大于40％。
对比例1
本对比例提供了一种TiVNb系不含氧高温中熵合金的制备方法
步骤1：按原子百分比：Ti:33.34％,V:33.33％,Nb:33.33％，称取钛、钒、铌的金属单质,所述的金属单质的纯度超过99％；
步骤2：将步骤1称取的原料混合放入电弧熔炼炉的其中一个铜坩埚中，然后清洗腔体，所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压在0.01-0.05MPa范围内，以此减少氧等杂质；
步骤3：调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，使物质混合更均匀，熔炼完成后得到合金铸锭；
步骤4：将步骤3重复4次对步骤3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系不含氧高温中熵合金。
本对比例制备得到的合金密度约为6.43g/cm3,平均硬度为241.7HV，室温下合金的屈服强度687MPa,应变大于40％；800℃时合金的屈服强度410MPa，应变大于40％。
对比例2
本对比例为公开号为CN103710607A的中国专利提供的合金材料，合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbNbcHfdOe，a＝b＝c＝d＝24.625，e＝1.5。
本对比例室温下合金的屈服强度1075MPa。
综上，由以上实施例和对比例1可知，在TiVNb系高温中熵合金中加入微量Ti、V、Nb的氧化物能降低合金的密度，提升强度，增强室温下的屈服强度和高温下的屈服强度；由以上实施例2和对比例2可知，在掺氧量一样的情况下，通过调配Ti、V、Nb三种金属单质，能显著提高合金的屈服强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TiVNb系含氧高温中熵合金，其特征在于，包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氧化物中的至少一种，钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:31-34％；钒:31-34％；铌:31-34％；氧:0.01-1.5％，余量为不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种TiVNb系含氧高温中熵合金，其特征在于，所述合金中钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:32.84％；钒:32.83％；铌:32.83％；氧:1.5％。
3.根据权利要求1或2所述的一种TiVNb系含氧高温中熵合金，其特征在于，所述金属氧化物为二氧化钛。
4.根据权利要求3任一项所述的一种TiVNb系含氧高温中熵合金，其特征在于，所述金属单质的纯度超过99％。
5.根据权利要求4所述的一种TiVNb系含氧高温中熵合金，其特征在于，所述合金的相结构为高纯的BCC结构，所述合金的密度小于6.4g/cm3,维氏硬度为300-400HV，室温屈服强度为920-1330MPa,室温应变大于40％，800℃时屈服强度520-720MPa,800℃应变大于40％。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照所述TiVNb系含氧高温中熵合金的元素配比称取钛、钒、铌的金属单质及钛、钒、铌的金属氧化物；
S2、将S1称取的原料共同放入电弧熔炼炉的铜坩埚中，并清洗腔体；
S3、调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料完全熔化，同时打开磁力搅拌设备搅拌，熔炼完成后得到合金铸锭；
S4、将S3步骤重复多次对S3得到的合金铸锭进行反复的熔炼，冷却之后得到TiVNb系含氧高温中熵合金。
7.根据权利要求6所述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，其特征在于，S1中所述的金属单质的纯度超过99％。
8.根据权利要求6所述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，其特征在于，S2中所述的清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-3Pa，再充入高纯氩气使腔体内气压接近但略小于腔外气压。
9.根据权利要求8所述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，其特征在于，所述腔内气压为0.01～0.1MPa。
10.根据权利要求6所述的TiVNb系含氧高温中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中是将步骤S3重复3-4次。
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2023
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