CN117385254A - 一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金及其制备方法,属于金属材料领域。HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的合金表达式为HfaNbbTacTidZreWfVg,表达式中a、b、c、d、e、f和g分别表示各对应组分的原子百分数,且满足以下条件:a为5~20,b为5~20,c为5~20,d为5~20,e为5~20,f为5~35,g为5~35,a、b、c、d、e、f、g之和为100。本发明的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,具有良好的塑性和优异的室温和高温力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金及其制备方法,属于金属材料领域。
背景技术
高熵合金(High-entropy alloys,HEAs)一般指含有5种或5种以上的合金元素,且每种元素的含量均在5%~35%(摩尔分数)之间。高熵合金突破了传统金属材料以单一主元素的合金设计思想,如铁基合金、镍基合金、钴基合金等,与单一主元素的合金相比,高熵合金从相图边角扩展到中间,明显拓展了合金设计成分范围,为高性能金属材料的研发开拓了全新的思路,被誉为“未来材料之王”。
高熵合金由于热力学上的高熵效应,动力学的缓慢扩散效应,结构上的晶格畸变效应和性能上的鸡尾酒效应,具有诸多优异的性能。主要由难熔元素组成的难熔高熵合金,在高温下具有良好的高温强度和优异的抗疲劳性能,有望成为新一代航空发动机的高温结构材料,如涡轮盘、涡轮叶片等,具有重要的研究价值和潜在的重大应用前景。
但难熔高熵合金体系有一个明显的缺点:除了HfNbTaTiZr合金及其衍生体系具有较好的室温拉伸塑性外,其他合金体系的塑性都相对较差,并且HfNbTaTiZr合金虽然塑性较好,但高温下强度较低,在1000℃和1200℃下压缩屈服强度分别为295MPa和92MPa(Microstructure and elevated temperature properties of a refractoryTaNbHfZrTi alloy,2012)。这严重影响了其作为航空航天高温结构件的应用。因此,在其基础上开发出同时具有较好塑性和良好高温强度的难熔高熵合金具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,解决现有技术中HfNbTaTiZr合金在高温下的压缩屈服强度低的问题。
本发明的第二个目的是提供一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,该方法操作简单,成分控制精确,组织均匀,杂质含量少。
为了实现以上目的,本发明的第一个技术方案为:
一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,合金表达式为HfaNbbTacTidZreWfVg,表达式中a、b、c、d、e、f和g分别表示各对应组分的原子百分数,且满足以下条件:a为5~20,b为5~20,c为5~20,d为5~20,e为5~20,f为5~35,g为5~35,a、b、c、d、e、f、g之和为100。
本发明的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,具有良好的塑性和优异的室温和高温力学能力。本发明利用HfNbTaTiZr作为基体元素,添加W元素提高合金的熔点,从而有利于提高合金的高温性能,添加V元素使得合金枝晶区形成均匀散布的纳米颗粒,使合金组织细化,从而促进合金的硬度和强度的增加。
进一步优选地,所述a为7~19,b为5~20,c为7~18,d为5~20,e为7~18,f为9~30,g为5~30,a、b、c、d、e、f、g之和为100。
本发明的第二个技术方案为:
一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,包括如下步骤:将原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V进行真空电弧熔炼。本发明通过真空电弧熔炼获得HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,该制备方法操作简单,成分控制精确、组织均匀、杂质含量少。
优选地,所述熔炼时,高熔点原材料覆盖在低熔点原材料上方进行熔炼。本发明通过熔炼时将高熔点原材料放置在低熔点原材料上方,使得高熔点的合金元素充分熔化,还能减少低熔点的合金元素的挥发,保证合金成分熔炼时更加准确和均匀,从而获得性能优异的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金。
为了进一步减少原料损耗以及使得熔炼的准确、均匀,进一步优选地,原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V熔炼时按照熔点由高到低顺序排列自上而下分别为W、Ta、Nb、Hf、V、Zr、Ti。
优选地,所述原材料为颗粒和/或片状。
进一步优选地,所述原材料的纯度>99.9%。
为了保证合金充分熔炼并熔炼均匀,优选地,所述熔炼的电流为200-500A。
为了防止原材料氧化,优选地,真空电弧熔炼时,先抽真空再充入惰性气体进行熔炼。
优选地,充入惰性气体压力控制为0.04-0.05MPa。
为了控制合金的氧等杂质含量,优选地,所述抽真空的真空度为小于3×10-3Pa。
为了保证合金充分熔炼并熔炼均匀,进一步优选地,熔炼得到合金铸锭后再次进行熔炼,反复熔炼7-9次,每次熔炼1-2分钟。
附图说明
图1为本发明实施例1Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W15V10难熔高熵合金的显微组织形貌图;
图2为本发明实施例1Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W15V10难熔高熵合金在不同温度下的压缩曲线图。
具体实施方式
本发明采用真空电弧熔炼的方式制备HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金。
为了除去金属原料表面的氧化物,优选地,本发明的制备方法还包括以下步骤:在熔炼之前对原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V进行表面打磨、清洗、干燥。
优选地,所述清洗为在无水乙醇中超声清洗。这样能够去除原材料表面的杂质和污垢。
为了获得纯度更高的金属原料,优选地,所述清洗的时间为180~300s。
电弧炉中额外放置有Ti球,在合金熔炼前,先熔炼Ti球,目的是进一步消耗炉中残留的氧气。具体为在引弧之后先对高纯钛球进行熔炼,直至钛球熔化并观察到液体均匀旋转5s左右,然后翻样(即Ti球)再次熔炼。
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
一、本发明的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金及其制备方法的具体实施例如下:
实施例1
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W15V10。
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,采用以下步骤:
(1)用锉刀对纯度大于99.9%的原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V的表面进行打磨,除去表面的氧化膜及杂质;
(2)将打磨后的各材料在无水乙醇中超声清洗,清洗时间为240s;然后将其置于烘干箱中进行干燥,干燥的温度为120℃,时间为10min;
(3)将干燥后的各材料用精度为0.001g的电子天平按照合金表达式的摩尔分数(即原子百分数)对应的质量分数进行称取;
(4)将称取好的各材料按照熔点高低,由低到高依次将Ti、Zr、V、Hf、Nb、Ta和W颗粒状金属原料放入非自耗真空电弧炉中的水冷铜坩埚中,抽真空,真空度达到3×10-3Pa以下,然后充入氩气使炉腔压力为0.05MPa开始进行熔炼,其中,熔炼的电流为400A,熔炼2min,待合金冷却后用翻样杆对合金进行翻样,如此反复熔炼8次,从而保证合金充分熔炼均匀。
实施例2
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W10V15。
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,采用以下步骤:
(1)用锉刀对纯度大于99.9%的原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V的表面进行打磨,除去表面的氧化膜;
(2)将打磨后的各材料在无水乙醇中超声清洗,清洗时间为180s;然后将其置于烘干箱进行干燥,干燥的温度为120℃,时间为10min;
(3)将干燥后的各材料用精度为0.001g的电子天平按照合金表达式的摩尔分数(即原子百分数)对应的质量分数进行称取;
(4)将称取好的材料按照熔点高低,由低到高依次将Ti、Zr、V、Hf、Nb、Ta和W片状金属原料按顺序放入非自耗真空电弧炉中的水冷铜坩埚中,抽真空,真空度达到3×10-3Pa以下,然后充入氩气使炉腔压力为0.045MPa进行熔炼,其中,熔炼的电流为300A,熔炼1min,待合金冷却后用翻样杆对合金进行翻样,如此反复熔炼7次,从而保证合金充分熔炼均匀。
实施例3
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf19Nb5Ta18Ti5Zr18W30V5。
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,与实施例1基本相同,不同之处在于:熔炼的电流为500A,熔炼2min,待合金冷却后用翻样杆对合金进行翻样,如此反复熔炼9次。
实施例4
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf7Nb20Ta7Ti20Zr7W9V30。
本实施例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,与实施例1基本相同,不同之处在于:熔炼的电流为200A,熔炼1min,待合金冷却后用翻样杆对合金进行翻样,如此反复熔炼9次。
二、对比例
对比例1
本对比例的HfNbTaTiZrW系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W25。
本对比例的HfNbTaTiZrW系难熔高熵合金的制备方法,与实施例1相同。
对比例2
本对比例的HfNbTaTiZrV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15V25。
本对比例的HfNbTaTiZrV系难熔高熵合金的制备方法,与实施例1相同。
对比例3
本对比例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其合金表达式为Hf15Nb15Ta15Ti15Zr15W15V10。
本对比例的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,采用以下步骤:
(1)将纯度大于99.9%的Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V各单质粉末按照比例进行称量配粉,粉末粒度在45-75μm;
(2)将称量好的粉末置于V形混粉机中进行混粉,混合时间为8h;
(3)将混合好的粉末进行高能球磨,球磨罐及磨球均为不锈钢材料,磨球平均直径为10mm,球料质量比为13:1,球磨罐转速控制在120r/min,球磨时间30h;
(4)将球磨后的粉末置于石墨模具中进行放电等离子烧结,烧结压力为25MPa,在1400℃保温10min,然后随炉冷却至室温。
三、实验例
本实验例测定了实施例1-4以及对比例1-3获得的难熔高熵合金的显微组织相貌、室温以及高温下的力学性能。
具体方法:采用Phenom-XL型扫描电镜(SEM)对实施例1进行微观组织观察,结果如图1所示。
采用HV-1000A型显微硬度计,设定载荷为1Kg,加载时间10s,在测试面中随机选择均匀分布的9个点进行测试,取平均值为测试结果,结果如表1所示。采用E45-105型电子万能试验机进行室温压缩测试,应变速率为10-3/s,变形量40%,结果如表1所示。其中,“>40%”代表压缩量为40%时,试样还未被压断。
由表1可知,利用本申请实施例的方法制备的难熔高熵合金,在室温、高温下的力学性能较佳。
采用Gleeble-3500型热模拟试验机对实施例1进行高温压缩试验,热电偶选用铂铑热电偶,升温速率为10℃/s,保温5min,真空度10-3Pa,应变速率10-3/s,变形量50%。室温高温压缩试样尺寸均为结果如图2所示。
表1力学性能
Claims (9)
1.一种HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金,其特征在于,合金表达式为HfaNbbTacTidZreWfVg,表达式中a、b、c、d、e、f和g分别表示各对应组分的原子百分数,且满足以下条件:a为5~20,b为5~20,c为5~20,d为5~20,e为5~20,f为5~35,g为5~35,a、b、c、d、e、f、g之和为100。
2.一种如权利要求1所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V进行真空电弧熔炼。
3.根据权利要求2所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,所述熔炼时,高熔点原材料覆盖在低熔点原材料上方进行熔炼。
4.根据权利要求3所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,原材料Hf、Nb、Ta、Ti、Zr、W、V熔炼时按照熔点由高到低顺序排列自上而下分别为W、Ta、Nb、Hf、V、Zr、Ti。
5.根据权利要求2或3所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,所述熔炼的电流为200-500A。
6.根据权利要求2-4任一项所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,真空电弧熔炼时,先抽真空再充入惰性气体进行熔炼。
7.根据权利要求6所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,充入惰性气体压力控制为0.04-0.05MPa。
8.根据权利要求6所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,所述抽真空的真空度为小于3×10-3Pa。
9.根据权利要求5所述的HfNbTaTiZrWV系难熔高熵合金的制备方法,其特征在于,熔炼得到合金铸锭后再次进行熔炼,反复熔炼7-9次,每次熔炼1-2分钟。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Si Xudong Inventor after: Bao Li Inventor after: Lu Zhihui Inventor after: Chen Sishuo Inventor after: Yang Hongtao Inventor after: Chen Chao Inventor before: Si Xudong Inventor before: Lu Zhihui Inventor before: Chen Sishuo Inventor before: Yang Hongtao Inventor before: Chen Chao |
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CB03 | Change of inventor or designer information |