CN117701975B - 具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金及制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金及制备和应用。该具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为NbaTabTicWdAle,其中,0<a≤35at%,0<b≤35at%,0<c≤35at%,0<d≤35at%,0<e≤35at%,且a+b+c+d+e=100,且高熵合金的合金铸态组织均为单相BCC结构。本发明的有益效果是,通过调整合金各个元素含量和价电子浓度进行成分设计,使其同时具有稳定的BCC单相结构、超宽温区的低热膨胀、良好的室温塑性、恒定的无磁特征,以满足新型封接合金在宽温区、无磁等方向的新标准;同时制取方式操作简单易实现,操作过程能耗低无污染,有广阔的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域,尤其涉及一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金及制备和应用。
背景技术
随着社会的日益发展和人们生活水平的逐步提高,人们对各种电子产品的要求也在不断上升,而为了制造服役条件更宽广的电子产品,自然也就对所使用的合金原材料提出了新需求。
在生产电子元件时,需要将封接材料与各种玻璃完成封接,而完成这一步骤的封接材料就是封接合金。封接合金又称定膨胀合金或可伐合金。在-70至500℃温度范围内,具有比较恒定的较低或中等程度膨胀系数的合金。它与玻璃或陶瓷等被封接材料的膨胀系数相接近,从而达到匹配封接的效果。主要类型有铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金。还有无氧铜、钨、钼及其合金和复合材料。
19世纪初,曾用铂作为封接材料与软玻璃封接。白炽灯泡以及早期的电子管和X射线管通过玻璃的引出线都用铂丝完成封接。在 1896年法国吉尧姆制成因瓦合金(Fe-36Ni)以后,又派生出了代替铂的Fe-46Ni封接合金,这是最早的封接合金。而随着电真空技术的发展,出现了熔点高、热稳定性好、热膨胀系数更低的硬玻璃。初期采用钼或钨与硬玻璃封接。20世纪30年代出现了与硬玻璃封接的称为可伐合金的Fe-Ni-Co合金;此外,还出现了与软玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。这些合金依据成分、平均热膨胀系数和用途的不同分成了不同的牌号,其中最经典的便是4j29,即可伐合金。
现如今,由于封接时条件要求更加严格,如更宽的使用温区,要求整体无磁的极端环境等条件,也对封接合金提出了新的要求,传统可伐合金已经无法满足现如今的种种要求,新型封接合金的研发迫在眉睫。
高熵合金(或多主元合金)的概念于2004年被提出,相关研究发现,多种元素按近/等原子比例混合后得到的合金并未形成复杂的金属间化合物,而是形成了简单的固溶体结构。高熵合金的出现打破了传统合金以混合焓为主的设计理念,为新材料的研发打开了一个广阔的成分设计空间。
作为经典高熵合金体系之一的难熔高熵合金,恰好由于无磁、宽温区低膨胀、随温度变化无相变等特性有助于新型封接合金设计。耐高温难熔高熵合金主要Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等高熔点的难熔元素组成,有时也添加Al、Si、Co、Ni、O、N等非难熔元素调控合金的微观组织与综合性能。耐高温难熔高熵合金最大的特点是具有优异的高温屈服强度与高温相稳定性。VNbMoTaW合金在1600 ℃的屈服强度超过400 Mpa;于此同时,该合金经过1400 ℃、19 h的长时间退火,仍可以保持体心立方(BCC)无序固溶体结构,具有优异的相结构热稳定性。耐高温难熔高熵合金得益于上述优点,成为受关注程度较高的一类高熵合金。但是,耐高温难熔高熵合金作为高温结构材料展现出巨大的潜力,但其严重的室温脆性限制了材料的工业化应用。
需要注意的是,虽然随着科学研究人员对这方面的重视成都逐渐加深,最近涌现出一些拥有室温塑性的难熔高熵合金,但这些合金都是以HfNbTiZr系难熔高熵合金进行进一步加工强化,这系高熵合金较容易提高力学性能,但由于这些组成元素固有热膨胀系数高,熔点又远低于W,再进一步加入热膨胀系数高,熔点低的Al、V等力学性能强化元素后,热膨胀、熔点已经无法达到我们所需求的高温无磁低膨胀封接合金的要求。更重要的是由于高熵合金高熵效应的特殊性,大部分难熔高熵合金都难以形成合适的氧化层与玻璃进行封接,而这又对最终的组分提出了新的要求。
故此一种在保证恒定低膨胀的前提下,进一步提高难熔高熵合金的室温脆性显得弥足珍贵。有望通过此种材料及其制备方法弥补现有材料的不足,应用于包括封接合金在内的各种相应场景。
发明内容
有鉴于此,本发明公开了一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金及制备和应用,以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,该具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金为五元合金,且五种合金为等比或不等比均可,高熵合金中的低膨胀源自于低热膨胀合金组元与高熵合金晶格畸变的同步作用,合金体现为无磁性金属材料,合金为原位结构的单相BCC结构合金;
进一步,所述具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为NbaTabTicWdAle,各组分的原子的百分比为:0<a≤35at%,0<b≤35at%,0<c≤35at%,0<d≤35at%,0<e≤35at%,且a+b+c+d+e=100,余量不可避免的杂质。
进一步,当a=23at%,b=23at%,c=23at%,d=23at%,e=8 at%, 则具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为Nb23Ta23Ti23W23Al8;在室温下,平均抗压强度为2100Mpa,平均屈服强度为1000Mpa,压缩塑性为28%。
进一步,当a=20at%,b=20at%,c=20at%,d=20at%,e=20 at%, 则具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为Nb20Ta20Ti20W20Al20;在室温下,平均抗压强度为1750Mpa,平均屈服强度为1000Mpa,压缩塑性为20%。
进一步,当a=22at%,b=22at%,c=22at%,d=22at%,e=12at%,则具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为Nb22Ta22Ti22W22Al12;在室温下,平均抗压强度为1900Mpa,平均屈服强度为1100Mpa,压缩塑性为25%。
进一步,所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在1200℃下保持为恒定的BCC结构,且合金的热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.5×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.0×10-6/K。
进一步,所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金为单一体心立方结构,其晶格常数a=b=c=3.25Å,ɑ=β=γ=90°,且所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在室温下,平均抗压强≥1700Mpa,平均屈服强度≥1000Mpa,压缩塑性≥20%。
本发明的另一目的是提供一种制备上述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的方法,该方法包括以下步骤:
S1)按照设计合金的合金化学组分,分别称取Nb、Ta、Ti、W、Al原料,去除表面氧化层;
S2)将S1)中的Nb、Ta、Ti、W、Al原料按照熔点越高越接近电弧枪枪头的规则进行顺序放置;
S3)使用电弧炉在一定气压保护气氛下以合适电流将混合后的原料反复翻面熔炼多次,使其完全熔炼均匀,最终得到合金铸锭;
S4)将得到的合金铸锭用60目砂纸打磨光亮,获得具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金。
进一步,所述S1)中Nb、Ta、Ti、W、Al原料纯度均>99.5%;
所述S3)中的气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03 Mpa;电流为200A≤I≤250A;保护气氛为惰性气体,惰性气体为氩气,熔炼至少8次。
一种上述的有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在生产电子元件时作为封接材料或在航空航天、LNG储罐以及超导领域应用。
一种采用具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的封接工艺,具体步骤为:
先将选取具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金进行工业切割后,打磨光亮,备用;
再处理后的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在温度为1000℃空气气氛条件下进行预氧化至少4h,在具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金表面生成氧化钨、氧化铌氧化层后;
再在1000℃氩气气氛条件下进行1min与玻璃进行封接,即可得到浸润角<90°的封接试样。
本发明具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金其由于本身组成元素为无磁元素,整体呈现无磁性,其低热膨胀特性主要源于各组元尤其是W本身较低的热膨胀与高熵合金的晶格畸变效应,室温塑性则主要来自于Ti、Al对难熔高熵合金的强化,进一步地,通过W、Nb、Ta等BCC稳定元素地添加使其在宽温区保持BCC单相稳定,而W和Nb在预氧化之后提供了封接合金所需的致密氧化层。需要注意的是,这五元合金最终合金成分通过大量实验得到,由于目标工艺明确最终得到的试样并非是一个宽泛的元素集合,进一步的可以通过各组元含量调控以满足封接合金所需的各项要求。且由于热膨胀系数高温不变性,拥有着比寻常封接合金更宽的应用温度范围。
通过调整控制五元合金的化学组分,最终在较宽的成分范围内同时实现了具有室温塑性、无磁、BCC单相稳定、宽温区低膨胀的新型合金材料。
所述高熵合金铸态组织均为BCC单相结构。
本发明所述具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金形状和尺寸在一定温区内不随温度发生明显变化,具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命。
本发明进行了与玻璃的封接测试,且浸润角小于90°,且在高温下无软化脱落现象,且由于膨胀系数在宽温区与玻璃近似,可以在极宽温区下用于对玻璃的封接合金。
本发明的优点在于:
1.本发明提供的高熵合金材料的主要元素价格远低于TaNbHfZrTi系难熔高熵合金材料,是一种使用安全,应用温度范围广,使用寿命长的新型合金材料。
2.与常规BCC高熵合金相比 ,本发明在保证较高的屈服极限和抗压强度的基础上,极大提高了室温塑性。具有广阔的应用前景。
3.满足封接合金的各项条件,且已经完成封接测试,本身由于BCC单相且无需退火,制备简便,利于工业化生产,可以满足封接工业应用条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的一种制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的方法的流程框图。
图2为采用本发明方法制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的XRD图。
图3为采用本发明方法的实施例1制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的室温力学能测试与传统难熔高熵合金室温力学性能对比图。
图4为采用本发明方法的实施例1-3制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的室温力学能测试图。
图5为采用本发明方法的实施例3制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金线膨胀性能与传统封接合金线膨胀性能对比图。
图6为采用本发明方法制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金进行封接测试的测试浸润角小于90°封接成功结果图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
本发明一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,该具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金为五元合金,且五种合金为等比或不等比均可,合金中的低膨胀源自于低热膨胀合金组员与高熵合金晶格畸变的同步作用,合金体现为无磁性金属材料,通过合金的XRD图,可以得到合金为原位结构的单相BCC结构合金,如图2所示;
该具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为NbaTabTicWdAle,各组分的原子的百分比为:0<a≤35at%,0<b≤35at%,0<c≤35at%,0<d≤35at%,0<e≤35at%,且a+b+c+d+e=100,余量为不可避免的杂质。
所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在1200℃下保持为恒定的BCC结构,且合金的热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.5×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.0×10-6/K。
所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金为单一体心立方结构,其晶格常数a=b=c=3.25Å,ɑ=β=γ=90°,且所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在室温下,平均抗压强≥1700Mpa,平均屈服强度≥1000Mpa,压缩塑性≥20%。
如图1所示,本发明一种制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的方法,该方法包括以下步骤:
S1)按照设计合金的合金化学组分,分别称取纯度均>99.5%的Nb、Ta、Ti、W、Al原料,去除表面氧化层;
且由于W金属颗粒熔点较高,实验条件下难以充分熔炼均匀,采用W金属粉末代替,熔炼时将W金属粉末铺于其他金属之下,防止抽真空环节过多粉尘抽离;
S2)将S1)中的Nb、Ta、Ti、W、Al原料按照熔点越高越接近电弧枪枪头的规则进行顺序放置;
S3)使用电弧炉在气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03 Mpa下的氩气气氛下,电流为200A≤I≤250A下,熔炼原料每次熔炼合金熔化后电弧保持时间60-120秒,待合金块冷却后将其翻转,如此重复8次以上使其完全熔炼均匀,使其完全熔炼均匀,最终得到合金铸锭;
S4)将得到的合金铸锭用60目砂纸打磨光亮,获得具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金。
一种上述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在生产电子元件时作为封接材料或在航空航天、LNG储罐以及超导领域应用。
实施例1
制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其成分为NbaTabTicWdAle,其中a=b=c=d=e=20 at%,余量为Al及少量不可避免地杂质。本发明采用真空非自耗电弧熔炼合金。
具体操作按下列步骤进行:
S1)按摩尔比分别为1:1:1:1:1的Nb、Ta、Ti、W、Al原料。
S2)分别取原料加入真空电弧炉,在真空电弧炉中在气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03Mpa下,氩气为保护气氛下,以电流为200A≤I≤250A下,进行熔炼,熔炼时将熔点高的元素置于上层,覆盖下面的低熔点元素。反复熔炼8次及以上保证化学成分均匀,最终得到目标合金铸锭。
所述高熵合金在室温下平均抗压强度为1750Mpa,平均屈服强度为1000Mpa,压缩塑性为20%,热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.9×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.8×10-6/K。
实施例2
制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其成分为NbaTabTicWdAle,其中a=b=c=d=22at%,余量为Al及少量不可避免地杂质。本发明采用真空非自耗电弧熔炼合金。
具体操作按下列步骤进行:
S1)按摩尔比分别为22:22:22:22:12的Nb、Ta、Ti、W、Al原料。
S2)分别取原料加入真空电弧炉,在真空电弧炉中在气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03Mpa下,氩气为保护气氛下,以电流为200A≤I≤250A下,进行熔炼,熔炼时将熔点高的元素置于上层,覆盖下面的低熔点元素。反复熔炼8次及以上保证化学成分均匀,最终得到目标合金铸锭。得到的高熵合金在室温下平均抗压强度为1900Mpa,平均屈服强度为1100Mpa,压缩塑性为25%,热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.6×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.3×10-6/K。
实施例3
制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其成分为NbaTabTicWdAle,其中a=b=c=d=23at%,余量为Al及少量不可避免地杂质。本发明采用真空非自耗电弧熔炼合金。
具体操作按下列步骤进行:
S1)按摩尔比分别为23:23:23:23:8的Nb、Ta、Ti、W、Al原料。
S2)分别取原料加入真空电弧炉,在真空电弧炉中在气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03Mpa下,氩气为保护气氛下,以电流为200A≤I≤250A下进行熔炼,熔炼时将熔点高的元素置于上层,覆盖下面的低熔点元素。反复熔炼8次及以上保证化学成分均匀,最终得到目标合金铸锭。得到的高熵合金在室温下平均抗压强度为2100Mpa,平均屈服强度为1000Mpa,压缩塑性为28%,热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.3×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为6.7×10-6/K;将得到具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的线膨胀性能与传统封接合金线膨胀性能对比,如图5所示。
将得到具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的室温力学能测试与传统难熔高熵合金室温力学性能对比,如图3所示。
实施例4
制备具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其成分为NbaTabTicWdAle,其中a=b=c=d=21at%,余量为Al及少量不可避免地杂质。本发明采用真空非自耗电弧熔炼合金。
具体操作按下列步骤进行:
S1)按摩尔比分别为21:21:21:21:16的Nb、Ta、Ti、W、Al原料。
S2)分别取原料加入真空电弧炉,在真空电弧炉中在气压为-0.04Mpa≤P≤-0.03Mpa下,氩气为保护气氛下,以电流为200A≤I≤250A下进行熔炼,熔炼时将熔点高的元素置于上层,覆盖下面的低熔点元素。反复熔炼8次及以上保证化学成分均匀,最终得到目标合金铸锭。得到的高熵合金在室温下平均抗压强度为1800Mpa,平均屈服强度为1000Mpa,压缩塑性为20%,热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.8×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.5×10-6/K。
实施例1-3制备得到的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的室温力学能测试,如图4所示。
X射线衍射(XRD)测试及相组成分析:
使用X射线衍射仪对制备好的金相样品进行相组成分析,扫描角度2θ的范围从30°到90°,扫描速度为10°/min,所得到的三种合金铸态组织均为单相BCC结构。
一种采用具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的封接工艺,具体步骤为:
先将选取具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金进行工业切割后,打磨光亮,备用;
再处理后的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在温度为1000℃空气气氛条件下进行预氧化至少4h,在具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金表面生成氧化钨、氧化铌氧化层后;
再在1000℃氩气气氛条件下进行1min与玻璃进行封接,即可得到浸润角<90°的封接试样,如图6所示。
以上对本申请实施例所提供的一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金及制备和应用,进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解,硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语,故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的,并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解,本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述申请构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围,则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其特征在于,当a=23at%,b=23at%,c=23at%,d=23at%,e=8 at%, 则具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为Nb22.5Ta22.5Ti22.5W22.5Al10;在室温下,平均抗压强度为2100MPa,平均屈服强度为1000MPa,压缩塑性为28%。
2.一种具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其特征在于,当a=22at%,b=22at%,c=22at%,d=22at%,e=12at%,则具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的化学式为Nb22Ta22Ti22W22Al12;在室温下,平均抗压强度为1900MPa,平均屈服强度为1100MPa,压缩塑性为25%。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其特征在于,所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在1200℃下保持为恒定的BCC结构,且合金的热膨胀系数在100-350K区间平均为:5.5×10-6/K,热膨胀系数在100-1250K区间内平均为7.0×10-6/K。
4.根据权利要求1或2任意一项所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金,其特征在于,所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金为单一体心立方结构,其晶格常数a=b=c=3.25Å,ɑ=β=γ=90°。
5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述的具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1)按照设计合金的合金化学组分,分别称取Nb、Ta、Ti、W、Al原料,去除表面氧化层;
S2)将经S1)处理后的Nb、Ta、Ti、W、Al原料按照熔点越高越接近电弧枪枪头的规则进行顺序放置;
S3)使用电弧炉在一定气压保护气氛下以合适电流将混合后的原料反复翻面熔炼多次,使其完全熔炼均匀,最终得到合金铸锭;
S4)将得到的合金铸锭用60目砂纸打磨光亮,获得具有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述S1)中Nb、Ta、Ti、W、Al原料纯度均>99.5%。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述S3)中的气压为-0.04MPa≤P≤-0.03MPa;电流为200A≤I≤250A;保护气氛为惰性气体,惰性气体为氩气,熔炼至少8次。
8.一种如权利要求1-4任意一项所述的有室温塑性的低膨胀难熔高熵合金在生产电子元件时作为封接材料或在航空航天、LNG储罐以及超导领域应用。
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4983357A (en) * | 1988-08-16 | 1991-01-08 | Nkk Corporation | Heat-resistant TiAl alloy excellent in room-temperature fracture toughness, high-temperature oxidation resistance and high-temperature strength |
US6761777B1 (en) * | 2002-01-09 | 2004-07-13 | Roman Radon | High chromium nitrogen bearing castable alloy |
JP2016029193A (ja) * | 2014-07-25 | 2016-03-03 | 株式会社日立製作所 | 合金構造体 |
RU2696799C1 (ru) * | 2019-04-16 | 2019-08-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Деформируемый высокоэнтропийный сплав для высокотемпературных применений |
WO2020118802A1 (zh) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | 北京理工大学 | 一种兼具高强度和高塑性的轻质高熵合金及其制备方法 |
CN111945033A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-17 | 东北大学 | 一种中子毒物特性的高熵合金及其制备方法 |
CN115615260A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-01-17 | 大连理工大学 | 一种高密度高放热焓难熔高熵合金破片材料 |
CN116005059A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-04-25 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金 |
CN116618682A (zh) * | 2023-05-26 | 2023-08-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于增材制造技术制备宽温域恒弹性低模量钛合金的方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI595098B (zh) * | 2016-06-22 | 2017-08-11 | 國立清華大學 | 高熵超合金 |
-
2024
- 2024-02-06 CN CN202410170011.8A patent/CN117701975B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4983357A (en) * | 1988-08-16 | 1991-01-08 | Nkk Corporation | Heat-resistant TiAl alloy excellent in room-temperature fracture toughness, high-temperature oxidation resistance and high-temperature strength |
US6761777B1 (en) * | 2002-01-09 | 2004-07-13 | Roman Radon | High chromium nitrogen bearing castable alloy |
JP2016029193A (ja) * | 2014-07-25 | 2016-03-03 | 株式会社日立製作所 | 合金構造体 |
WO2020118802A1 (zh) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | 北京理工大学 | 一种兼具高强度和高塑性的轻质高熵合金及其制备方法 |
RU2696799C1 (ru) * | 2019-04-16 | 2019-08-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Деформируемый высокоэнтропийный сплав для высокотемпературных применений |
CN111945033A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-17 | 东北大学 | 一种中子毒物特性的高熵合金及其制备方法 |
CN115615260A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-01-17 | 大连理工大学 | 一种高密度高放热焓难熔高熵合金破片材料 |
CN116005059A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-04-25 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强韧双BCC结构TaMoZrTiAl系难熔高熵合金 |
CN116618682A (zh) * | 2023-05-26 | 2023-08-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于增材制造技术制备宽温域恒弹性低模量钛合金的方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
The oxidation-resistance mechanism of WTaNbTiAl refractory high entropy alloy;Yonggang Yan et.al;Corrosion Science;20220513;第第204卷卷;1-5 * |
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Publication number | Publication date |
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