CN107142410B - CrMoNbTiZr高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents
CrMoNbTiZr高熵合金材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高熵合金材料及其制备技术。高熵合金材料成分为CrMoNbTiZr，其中，Cr:Mo:Nb:Ti:Zr的摩尔比依次为：1:1:1:1:1。其制备过程如下：（1）粉末配制：按照等摩尔比配制各金属粉末；（2）粉末混合：将配制好的粉末在V型混粉机上混合均匀；（3）压制成块：将混合后的粉末在压力机下冷压成形；（4）熔炼合金：使用真空非自耗电弧熔炼炉对压制成块的样品进行熔炼。本发明制备的CrMoNbTiZr高熵合金主要组成相为BCC固溶体相和少量的Laves相，同时具有硬度高和耐蚀性强等优点。该合金在耐磨和耐蚀领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高熵合金及其制备方法，具体地说，涉及一种耐磨、耐蚀的CrMoNbTiZr高熵合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域。
背景技术
传统观念对合金性能的理解在于，合金性能可以通过添加微量合金元素来改善和提高，如提高强度、硬度、抗压强度、耐蚀性、热稳定性等，但是这种方法并不是没有缺点的，如果添加过多会导致出现大量脆性金属间化合物甚至是脆性的复杂相，使得合金的机械性能降低。另外，化合物过多会对合金组织的研究产生不利的影响。因此，长期以来，学者在开发新型合金和改善合金的过程中，都是以一种合金元素为主元（一般超过50%），利用添加少量合金元素和改善工艺的方法，从而获得优良的组织和性能的合金。但是随着现今工业工程技术的高速发展，单一材料性能的不足已经成为制约其在工程领域进一步发展的一个难题。因此研发人员越来越倾向于采用高新技术开发制备高性能的新型材料，研究开发强度、韧性、硬度等各项性能皆优的新型材料，已成为材料领域发展的主要方向。高熵合金作为近年来出现并快速发展的一种新型高强度合金，受到了材料领域专家的高度关注。中国台湾清华大学的叶均蔚等率先跳出传统合金的发展框架，于2004年首次提出了多组元高熵合金的设计思想，多主元高熵合金一般具有5种或5种以上的主要元素，这些主要元素以等摩尔比或者近似等摩尔比配置。合金的混合熵极高，在凝固过程中，传统多元合金中脆性相的析出被抑制，例如金属间化合物；凝固后一般形成BCC或FCC结构的单一固溶体，大大降低了多元合金的脆性。多主元高熵合金打破了以一种合金元素为基的传统合金设计模式，可通过合金成分优化设计，获得具有显微结构简单化、纳米析出物、非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温蠕变、耐高温氧化、耐回火软化等优异的性能组合合金，广泛应用于耐高压、耐腐蚀化工容器及工程用高强度耐蚀件。
发明内容
本发明的目的在于开发出具有优异性能的耐磨耐蚀高熵合金——CrMoNbTiZr高熵合金，使其满足在现代工业中人们对材料耐磨耐性性能的要求，使得高熵合金在应用领域得到广泛应用。
本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：一种高熵合金材料，成分为CrMoNbTiZr，其中，Cr:Mo:Nb:Ti:Zr的摩尔比依次为：1:1:1:1:1。
本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案还包括：一种成分为CrMoNbTiZr的高熵合金材料的制备方法，其特征在于具体是按以下步骤完成的：
一、采用纯度99.5%以上的冶金原料Cr、Mo、Nb、Ti和Zr金属粉末，按照等摩尔比例进行精确的称量配比，将其混合均匀；
二、使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；
三、使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在***的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；
四、对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，充入纯度为99.99%氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2~3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；
五、真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；
六、熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90~120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；
七、熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得。
本发明的原理及有益效果在于：
1.本发明提供了一种CrMoNbTiZr高熵合金，所述高熵合金由简单结构的固溶体相以及少量的laves相组成，合金组织均匀，具有较高的硬度和优异的耐腐蚀性能，该合金的显微硬度高达689HV。具有广阔的应用前景；
2.本发明提供了一种CrMoNbTiZr高熵合金的制备方法，采用高真空合金电弧熔炼进行制备，制备方法简单可靠。
附图说明
图1为实施例中制备的CrMoNbTiZr高熵合金的X射线衍射图谱。
图2为实施例中制备的CrMoNbTiZr高熵合金的扫描电子显微组织。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用。
1、CrMoNbTiZr高熵合金成分设计。
本实施方式是一种由Cr、Mo、Nb、Ti和Zr五种元素组成的CrMoNbTiZr高熵合金，其中，Cr:Mo:Nb:Ti:Zr的摩尔比依次为：1:1:1:1:1。
2、CrMoNbTiZr高熵合金的制备。
高熵合金的制备是最关键的一个步骤，制备过程如下：
1）原料准备：本发明采用的合金冶炼原料为高纯（纯度在99.5%以上）Cr、Mo、Nb、Ti和Zr元素，所用的原材料全部为粉末状材料；
2）称重配粉：按照摩尔比例进行精确的称重配比，并将称重之后的粉末材料混合在一起，使用V型混粉机上匀速混合10h；
3）压制成块：将混合好的粉末在冷压机上以200MPa的压力冷压成形，保压时间约为90-120s；
4）熔炼高熵合金：①使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在***四个熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；②对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，充入纯度为99.99%氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2~3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；③真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；④熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90~120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；⑤熔炼完成之后，待合金随炉冷却至室温后打开非自耗真空电弧熔炼炉取出样品，最终得到一个椭球状的CrMoNbTiZr高熵合金铸锭。
3、CrMoNbTiZr高熵合金的组织结构及性能。
1）X射线衍射（XRD）测试及相组成分析
利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。X射线衍射物相分析在日本理学Rigaku D/Max 2500 X射线衍射仪上进行。设备技术规格：使用Cu作为辐射源，石墨单色器，操作电压40kV、电流250mA，自转靶。扫描速率8°/min，选择衍射角范围为2θ=5-90°。利用MDI-Jade 6.0软件分析实验数据，确定物相。如图1所示的CrMoNbTiZr高熵合金的XRD测试结果显示CrMoNbTiZr高熵合金的主要组成相为体心立方结构固熔体相和少量的Laves相。而这其中的Laves相主要为CrTi2、Mo3Nb金属间化合物。
2）显微组织分析
利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。用扫描电子显微镜观察试样组织形貌。由图2可知CrMoNbTiZr高熵合金生成的胞状晶组织。
3）显微硬度测定及分析
利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。采用HZr-1000型显微硬度计测试试样的硬度，该显微硬度计的试验力为9.807N(1kgf)，加载15s。试样选取7个不同位置测量其显微硬度，去掉最高硬度值和最低硬度值，取其余硬度值的平均数值作为试样的显微硬度值，最终得到该合金的显微硬度值为689HV。
4）合金的耐腐蚀性能
利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。将研磨抛光好的样品放入酒精中用超声波清洗仪清洗30min，并干燥称量，之后将样品分别全浸入浓度为5%、15%、30%的HNO3溶液以及3.5%的NaCl溶液中，保持6h、12h、24h、48h、96h后取出，分析腐蚀前后试样表面状态及重量变化。
从表1中看出，合金在不同腐蚀液中的质量变化很小，且合金的表面几无改变，表明本申请制备的CrMoNbTiZr高熵合金具有优良的耐腐蚀性能。
表1实例中CrMoNbTiZr高熵合金在3.5%的NaCl溶液以及5%、15%、30%的HNO3溶液中
浸泡96h后的质量变化
| 腐蚀溶液 | 3.5%NaCl | 5%HNO3 | 15%HNO3 | 30%HNO3 |
| 腐蚀前质量/g | 0.7359 | 0.6776 | 0.7663 | 0.7219 |
| 腐蚀后质量/g | 0.7360 | 0.6786 | 0.7668 | 0.7210 |
| 质量变化/g | 0.0001 | 0.0010 | 0.0005 | -0.0009 |
Claims (2)
1.一种高熵合金材料，其特征在于：所述高熵合金成分为CrMoNbTiZr，其中，Cr:Mo:Nb:Ti:Zr的摩尔比依次为：1:1:1:1:1；所述CrMoNbTiZr高熵合金材料的制备方法，其特征在于具体是按以下步骤完成的：
一、采用Cr、Mo、Nb、Ti和Zr金属粉末，按照等摩尔比例进行精确的称量配比，将其混合均匀；
二、使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；
三、使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在***的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；
四、对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，充入纯度为99.99％氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；
五、真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；
六、熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；
七、熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得。
2.根据权利要求1所述的高熵合金材料，其特征在于步骤一中所述的Cr、Mo、Nb、Ti和Zr金属粉末的纯度在99.5％以上。
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