TWI786980B - 具高溫強度高熵合金 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種具高溫強度高熵合金，其包含至少七種金屬元素，其中所述至少七種金屬元素是選自於由鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)及鎢(W)組成的高熔點金屬元素群組，讓其在高溫下具有較好的機械性質，以達到具有高硬度、高強度、耐磨耗、耐高溫及耐腐蝕等功效。
Description
本發明係有關於一種具高溫強度高熵合金，尤指一種添加有高熔點金屬元素，以提供在高溫下具有較好的機械性質的高熵合金為其發明應用者。
按，傳統電阻焊具有穩定性較低、焊接溫度較高及焊接會產生飛濺等缺失，以致業者轉而採用穩定性較高的摩擦攪拌點銲技術。
而摩擦攪拌點銲(Friction Stir Spot Welding)除了穩定性高之外，其焊接溫度較低、減少變形與收縮、銲接不會產生飛濺，且銲接點擁有更高強度，最佳的前景是可廣泛應用在航太、汽車、等工業領域。汽車高強度鋼點銲，約佔新台幣30億元，點銲刀具約占點銲製程50%，產值為15億元，市場潛力大。
目前市售鎢鋼鍍上鑽石刀具做高強度鋼的點銲攪拌刀具，其刀具會因為高溫導致碳化裂解萎縮，是以，攪拌刀具因高溫磨耗無法進行高熔點金屬的銲接是目前業者所亟需解決的問題之一。
因此，有業者進一步採用高熵合金來施作，而高熵合金是由五種或五種以上等量或大約等量的金屬精煉形成的合金，如台灣專利公告第I395336號一種具有多元高熵合金氧化物的光電半導體、導體、絕緣體及其設計方法、公告第I378899號一種多元高熵合金氧化物構成的光電半導體及其製作方法，或公告第I674334號一種高熵合金塗層的製造方法。
也有中國專利CN113151725A一種增強難熔高熵合金耐磨性的方法，包括：用真空電弧熔煉爐將經過配比稱量、超聲清洗後的金屬單質Ti、Zr、V、Nb、Al混合熔煉得到TiZrV0.5Nb0.5Alx難熔高熵合金錠；使用翻轉澆鑄設備將合金溶液澆鑄進板狀水冷銅模中得到板狀合金；將澆鑄得到的板狀合金放入熱處理爐內通入惰性保護氣，在1100℃條件下均勻化退火處理；Al元素的加入一方面降低了難熔高熵合金的密度，另一方面促使金屬間化合物析出，顯著提高了難熔高熵合金的硬度與耐磨性。
或中國專利CN113061763A一種高熵合金及其製備方法，包括：採用包括Zr、Ti元素，還包括W、Ta、Hf、V、Cr、Co、Ni、Fe、Mn、Cu及Al中的至少一種的高熵合金原料製備高熵合金球形粉末；採用激光增材製造工藝將所述高熵合金球形粉末成形，得到高熵合金，其中，所述激光增材製造工藝中所用送粉載氣為氬氧混合氣體。通過本發明提供的製備方法，可以制得含有序氧複合體的高熵合金，且由於用於形成有序氧複合體的供氧方式的不同，制得的高熵合金中氧化物分佈更加均勻，進一步提高高熵合金的力學性能及耐輻照性能。
及中國專利CN113046615A一種具有高強度HCP相高熵合金及其製備方法，其特徵在於：採用高純度金屬粉末Co，Cr，Fe，Ni，Ta，Nb為原料，首先將單質粉末按一定比例在高能球磨機中進行機械混合後放入真空乾燥箱乾燥，然後採用粉末等離子弧增材製造技術通過逐層堆積獲得高熵合金。
上述專利前案雖皆為高熵合金的組成與製程技術，但運用在摩擦攪拌點銲工藝中，並無法達到摩擦攪拌點銲工藝所需的高硬度、高強度、耐磨耗、耐高溫及耐腐蝕功用。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，再予以研究改良，希望在製作攪拌刀具的高熵合金(HEA)成分中添加高熔點金屬元素，讓其在高溫下具有較好的機械性質，特提供一種具高溫強度高熵合金，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種具高溫強度高熵合金，尤其是指一種添加有高熔點金屬元素，以提供在高溫下具有較好的機械性質的高熵合金為其目的。
本發明具高溫強度高熵合金之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：
其包含至少七種金屬元素，其中所述至少七種金屬元素是選自於由鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、鉬 (Mo)及鎢(W)組成的高熔點金屬元素群組，讓其在高溫下具有較好的機械性質，以達到具有高硬度、高強度、耐磨耗、耐高溫及耐腐蝕等功效。
本發明具高溫強度高熵合金的較佳實施例，其中所述高熵合金包含有原子百分比是5.00~15.00at%的鋁(Al)、原子百分比是30.00~40.00at%的鎳(Ni)、原子百分比是20.00~30.00at%的鈷(Co)、原子百分比是5.00~15.00at%的鉻(Cr)、原子百分比是5.00~15.00at%的鈮(Nb)、原子百分比是1.00~5.00at%的鉬(Mo)，與原子百分比是5.00~15.00at%的鎢(W)。
本發明具高溫強度高熵合金的較佳實施例，其中所述高熵合金可用於鑄造或積層製造。
本發明具高溫強度高熵合金的較佳實施例，其中所述高熵合金用於雷射積層製造的粉末粒徑範圍為20 -45 μm。
本發明具高溫強度高熵合金的較佳實施例，其中所述高熵合金用於電子束積層製造的粉末粒徑範圍為50 -100 μm。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
首先，本發明之具高溫強度高熵合金，所述高熵合金主要選自5.00~15.00at%的鋁(Al)、30.00~40.00at%的鎳(Ni)、20.00~30.00at%的鈷(Co)、5.00~15.00at%的鉻(Cr)、5.00~15.00at%的鈮(Nb)、1.00~5.00at%的鉬(Mo)，及5.00~15.00at%的鎢(W)；上述金屬元素之熔點，如下表：
| 鋁(Al) | 鎳(Ni) | 鈷(Co) | 鉻(Cr) | 鈮(Nb) | 鉬(Mo) | 鎢(W) | |
| 元素熔點(℃) | 660 | 1455 | 1495 | 1907 | 2477 | 2623 | 3422 |
| 成分比例(at%) | 5~15 | 30~40 | 20~30 | 5~15 | 5~15 | 1~5 | 5~10 |
以下舉例說明高熵合金的製程方式[為可行的製程之一]：首先，將上述金屬元素進行熔煉混合，其採用真空氣霧法製粉，係在真空熔煉氣霧化金屬粉末設備(VIGA，Vacuum Inert Gas Atomization)中，利用週波感應爐將上述金屬元素(合金原料)置設於惰性氣氛中熔解，使該些合金氧增量保持在最低限度，並通過超音速噴嘴以惰性氣體(N
2或Ar)將熔湯衝擊、霧化、破碎成細小的液滴後迅液凝固為球型合金粉末，該些粉末經由粒徑分析、成分分析及電子顯微鏡觀察。之後，將該些分級後的球型合金粉末經由雷射積層製造(SLM，Selective Laser Melting)，以高功率光纖雷射將細微的球型合金粉末熔合在一起，並一層層的方式建構薄層，重複逐層建構，直到建構完成為止，在此，於上述積層製程過程中係可依據製品設定參數條件，如E=50-125 J/mm
3、E=75-165 J/mm
3，最後成品能進行顯微組織與機械性質測試。
將本發明具高溫強度高熵合金所製成之成品與文獻、市售高熵合金於室溫下進行硬度比較，請參閱第一圖所示，圖中除了本發明具高溫強度高熵合金之外，係對比TiZrNbHfTa、TiZrNbWMo、AlCoCrFeNiSi、AlCoCrCuFeNi及Inconel 718等組別，於圖表中顯示出，在室溫下本發明具高溫強度高熵合金(CoCrNbNiW)的硬度872.6HV相對其他組別高。
請參閱第二圖所示，為本發明與文獻、市售高熵合金於室溫至1000°C間之高溫下的硬度曲線比較示意圖，圖中除了本發明具高溫強度高熵合金之外，係對比SLM-HIP、SLM- AlCoCrFeNiSi、SLM-AlCoCrCuFeNi、SLM- Inconel 718、電弧熔化A100Co1.5CrFeNi1.5T10、電弧熔化A102Co1.5CrFeNi1.5T10及SKH51等組別，於圖表中顯示出，本發明具高溫強度高熵合金(CoCrNbNiW)的室溫硬度872.6HV ，在 1000 °C高溫硬度接近 400 HV ，明顯高於文獻熵合金與市售高熵合金。
另外，本發明具高溫強度高熵合金的較佳實施例，其中所述高熵合金可用於鑄造或積層製造；所述高熵合金用於雷射積層製造的粉末粒徑範圍為20 -45 μm。所述高熵合金用於電子束積層製造的粉末粒徑範圍為50 -100 μm。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
無
第一圖：本發明與文獻、市售高熵合金於室溫下的硬度比較示意圖。
第二圖：本發明與文獻、市售高熵合金於室溫至1000°C間之高溫下的硬度曲線比較示意圖。
Claims (4)
- 一種具高溫強度高熵合金，其主要由至少七種具有高熔點特性的金屬元素所組成，所述高熵合金包含有：5.00~15.00at%的鋁(Al)、30.00~40.00at%的鎳(Ni)、20.00~30.00at%的鈷(Co)、5.00~15.00at%的鉻(Cr)、5.00~15.00at%的鈮(Nb)、1.00~5.00at%的鉬(Mo)，及5.00~15.00at%的鎢(W)。
- 如請求項1所述具高溫強度高熵合金，其中所述高熵合金可用於鑄造或積層製造。
- 如請求項2所述具高溫強度高熵合金，其中所述高熵合金的金屬元素經熔煉混合後，再通過超音速噴嘴以惰性氣體將熔湯衝擊、霧化、破碎成細小的液滴後迅液凝固為球型合金粉末，所述高熵合金粉末用於雷射積層製造的粉末粒徑範圍為20-45μm。
- 如請求項2所述具高溫強度高熵合金，其中所述高熵合金的金屬元素經熔煉混合後，再通過超音速噴嘴以惰性氣體將熔湯衝擊、霧化、破碎成細小的液滴後迅液凝固為球型合金粉末，所述高熵合金粉末用於電子束積層製造的粉末粒徑範圍為50-100μm。
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| CN113604706A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-05 | 北京北冶功能材料有限公司 | 一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法 |
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