一种难熔高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种HfNbTiVCx难熔高熵合金及其制备方法。HfNbTiVCx高熵合金由等原子比的Hf、Nb、Ti、V和微量的碳元素组成。制备方法如下：Hf、Nb、Ti、V、NbC和Ti箔按原子比称重后，将NbC以Ti箔包裹，并置于铜坩埚的最底部，按照熔点由低到高的顺序，在铜坩埚中自下而上布置；在真空非自耗电弧炉中熔炼。本发明专利技术设计制备的高熵合金，室温下具有3.4Gpa的压缩强度和高于50％的塑性变形量，具有优异的力学性能和机械加工性能。加工性能。加工性能。

【技术实现步骤摘要】
一种难熔高熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属结构材料领域，具体涉及一种高强高塑性难熔高熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]当前，航空航天、核电、能源转换等领域对高温结构材料的性能要求不断提高，单晶镍基高温合金的服役温度已达到1150℃，逼近其熔点，性能开发达到材料的极限，亟待设计新型高温合金。
[0003]传统的金属材料通常以一种或两种金属元素为主元，通过引入少量合金化元素以提高其综合力学性能。2004年，多主元高熵合金概念的提出，颠覆了传统的材料设计思路，极大地拓宽了合金的成分设计空间。高熵合金的高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应及鸡尾酒效应，使其具备在高温下稳定服役的潜力。
[0004]以难熔元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W为主要成分设计的难熔高熵合金，具有远超传统高温合金的高温强度。如单相的WNbMoTa和WNbMoTaV合金在1873K下的压缩屈服强度仍能达到405MPa和477MPa。尽管目前大多数难熔高熵合金具有优异的高温力学性能，但仍存在室温塑性差，难以轧制变形和机械加工等问题。如WNbMoTa的室温压缩变形量仅0.5％，AlMo
0.5
NbTa
0.5
TiZr的室温压缩变形量仅10％。

技术实现思路

[0005]针对上述已有技术存在的不足，本专利技术提供一种超高强度和优异塑性的难熔高熵合金及其制备方法，该合金具有通过后续的加工硬化和热处理进一步提升综合力学性能的潜力，使其具备在高温高应力状态下稳定服役的能力。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的。
[0007]一种难熔高熵合金，其特征在于，所述合金包括Hf、Nb、Ti、V元素，所述Hf、Nb、Ti、V的原子比为1：1：1：1。
[0008]进一步地，所述合金包括Hf、Nb、Ti、V和C元素，所述Hf、Nb、Ti、V、C的原子比为1：1：1：1：x，其中，x＝0～0.3。
[0009]进一步地，所述合金在铸态下的微观结构由BCC(体心立方)相基体和FCC(面心立方)型碳化物强化相组成。
[0010]本专利技术的一种难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0011](1)按照所述原子比准备难熔高熵合金所需原料；
[0012](2)将原料置于真空电弧炉中的铜坩埚内，在备用坩埚中放置高纯金属钛，然后抽真空到真空度3
×
10
‑3～5
×
10
‑3Pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持5
×
10
‑3～1
×
10
‑2MPa；
[0013](3)熔炼高纯金属钛，以消除炉内残留的氧气；
[0014](4)进行合金熔炼，起弧电流为200A，熔炼电流为300A～450A，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持电弧熔炼2～5min，经冷却得到合金铸锭；
[0015](5)将合金铸锭翻转，重复步骤(4)，得到所述的难熔高熵合金。
[0016]进一步地，所述步骤(1)中，称量前用砂纸打磨原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20～25min。
[0017]进一步地，所述步骤(1)中，所述原料包括纯度均高于99.5％的Hf、Nb、Ti、V。
[0018]进一步地，所述步骤(2)中，将Hf、Nb、Ti、V按照熔点由低到高的顺序自下而上布置在铜坩埚中。
[0019]进一步地，所述步骤(1)中，所述原料包括纯度均高于99.5％的Hf、Nb、Ti、V、NbC和Ti箔。
[0020]进一步地，所述步骤(2)中，先将NbC以Ti箔包裹，并置于铜坩埚的最底部，然后自下而上将Hf、Nb、Ti、V按照熔点由低到高的顺序布置在铜坩埚中。
[0021]进一步地，重复步骤(4)六到八次。
[0022]本专利技术的有益技术效果：
[0023]1、本专利技术设计制备的HfNbTiVCx难熔高熵合金由BCC相基体和FCC型碳化物强化相组成，具有超过3000MPa抗压强度和高于50％塑性变形量的优异综合力学性能。
[0024]2、本专利技术设计制备的HfNbTiVCx难熔高熵合金，通过引入Ti、V、C三种元素，大大降低了合金的密度，使其相比大多数难熔高熵合金具有更低的密度。
[0025]3、本专利技术设计制备的HfNbTiVCx难熔高熵合金，其BCC相基体中的调幅分解组织和有序原子团簇对位错的钉扎作用，改变了位错的滑移方式，提高了合金的加工硬化能力，使其比大多数难熔高熵合金具有更加优异的塑性变形能力和后续的加工硬化能力，具有良好的机械加工能力和性能发掘潜力。
[0026]4、本专利技术设计制备的HfNbTiVCx难熔高熵合金中，碳元素的引入在合金中生成了均匀分布的FCC型碳化物强化相，可有效提高合金的强度，通过后续的热处理工艺，改变碳化物的尺寸、形貌、分布状态具有进一步提高合金综合力学性能的潜力。
附图说明
[0027]图1为实例1至实例4的XRD图谱；
[0028]图2为实例1的微观组织形貌；
[0029]图3为实例2的微观组织形貌；
[0030]图4为实例3的微观组织形貌；
[0031]图5为实例4的微观组织形貌；
[0032]图6为实例1至实例4的室温压缩曲线。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0034]实施例1
[0035]一种本专利技术的HfNbTiV难熔高熵合金，包括Hf、Nb、Ti、V，所述的Hf、Nb、Ti、V的原子比为1：1：1：1。
[0036]一种本专利技术的HfNbTiV难熔高熵合金，其具体制备方法如下：
[0037](1)选取纯度高于99.5％的Hf、Nb、Ti、V作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面
的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子比1：1：1：1称量Hf、Nb、Ti、V，合金理论成分见表1。
[0038](2)采用真空非自耗电弧炉熔炼合金，将称量好的Hf、Nb、Ti、V按照熔点由低到高的顺序，在铜坩埚中自下而上布置，并在备用坩埚中放置高纯金属钛(99％)，将炉腔内的气压抽真空，待真空度达到5
×
10
‑3Pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持5
×
10
‑3MPa。先熔炼高纯金属钛3min，以消除炉内残留的氧气。之后进行目标合金的熔炼，起弧电流为200A，熔炼电流为300A～450A，待金属完全熔融成液态后，保持电弧熔炼3min，然后关闭电流。待合金凝固后，翻转合金铸锭，如此重复6次，得到HfNbTiV难熔高熵合金。
[0039]实施例2
[0040]一种本专利技术的HfNbTiVC
0.1
难熔高熵合金，包括Hf、Nb、Ti、V、C，所述的Hf、Nb、Ti、V、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种难熔高熵合金，其特征在于，所述合金包括Hf、Nb、Ti、V元素，所述Hf、Nb、Ti、V的原子比为1：1：1：1。2.根据权利要求1所述的一种难熔高熵合金，其特征在于，所述合金包括Hf、Nb、Ti、V和C元素，所述Hf、Nb、Ti、V、C的原子比为1：1：1：1：x，其中，x＝0～0.3。3.根据权利要求1或2所述的一种难熔高熵合金，其特征在于，所述合金在铸态下的微观结构由BCC相基体和FCC型碳化物强化相组成。4.根据权利要求1或2所述的一种难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)按照所述原子比准备难熔高熵合金所需原料；(2)将原料置于真空电弧炉中的铜坩埚内，在备用坩埚中放置高纯金属钛，然后抽真空到真空度3
×
10
‑3～5
×
10
‑3Pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持5
×
10
‑3～1
×
10
‑2MPa；(3)熔炼高纯金属钛，以消除炉内残留的氧气；(4)进行合金熔炼，起弧电流为...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜威，朱宝宏，陶书天，张炜，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：