CN107267841B - 一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法，属于合金材料制备领域，所述的CrMoNbTaV高熵合金是由Cr、Mo、Nb、Ta和V元素组成。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CrMoNbTaV高熵合金具有单一的体心立方结构，同时具有高硬度和耐蚀性强等优点。该合金在耐磨和耐蚀领域具有很好的应用前景。

Description

一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法
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CrMoNbTaV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
传统的合金材料大多是以一种金属元素为主元，添加其它合金元素获得某些特殊的性能，如以铁为主元的钢铁材料、以铝为主元的铝合金、以镁为主元的镁合金等，添加的合金元素可改善合金的强度、韧性、耐蚀性或耐磨性等。但是，添加过多的合金元素种类会出现较多的脆性金属间化合物，恶化合金的力学性能；过多的化合物也不利于分析和研究合金的组织。因此，传统的合金设计理念不利于合金向多主元方向发展。上世纪90年代中期中国台湾学者叶均蔚等突破材料设计的传统观念，提出了基于等摩尔比、高混合熵的合金设计理念的高熵合金(High-entropy Alloys，或称高乱度合金)概念并进行了研究，直到2004年首见报道高熵合金。
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、耐回火软化等特性优异的性能组合的合金，可广泛用于耐高压、耐腐蚀化工容器及船舶上的高强度耐蚀件。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种CrMoNbTaV高熵合金，其特征在于，所述高熵合金为固溶体相组成，其中，Cr:Mo:Nb:Ta:V的摩尔比依次为：1:1:1:1:1。
所述的CrMoNbTaV高熵合金的制备方法具体是按以下步骤完成的：
1）、采用纯度99.5%以上的冶金原料Cr、Mo、Nb、Ta和V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；
2）、使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；
3）、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***的熔炼池内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼池内，放置完毕之后盖好炉盖，拧紧样品室旋钮；
4）、对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3 Pa后，充入工业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；
5）、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；
6）、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90~120 s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；
7）、熔炼4次以上之后停止熔炼，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CrMoNbTaV高熵合金，所述高熵合金由简单结构的固溶体相组成，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918HV。具有广阔的应用前景。
2. 本发明提供了一种CrMoNbTaV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，获得的高熵合金组织均匀稳定。
附图说明
图1为实施例中制备的CrMoNbTaV高熵合金的X射线衍射图谱。
图2为实施例中制备的CrMoNbTaV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其他优点及作用。
1. CrMoNbTaV高熵合金成分设计。
本实施方式是一种CrMoNbTaV高熵合金是由Cr、Mo、Nb、Ta和V五种元素组成，其中，Cr:Mo:Nb:Ta:V的摩尔比依次为：1:1:1:1:1。
2. CrMoNbTaV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、Ta和V元素，所用的原材料全部为粉末状材料；
2）称重配粉：按照等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10 h；
3）压制成块：将混合好的粉末在冷压机上以200 MPa的压力冷压成形，保压时间约为90~120 s；
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熔炼池内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼池内，放置完毕之后盖好炉盖，拧紧样品室旋钮；②对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3 Pa后，充入工业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90~120 s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；⑤熔炼4次以上之后停止熔炼，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CrMoNbTaV高熵合金铸锭。
3. CrMoNbTaV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4 mm×4 mm×3 mm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40 kV、电流250 mA，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CrMoNbTaV高熵合金的XRD测试结果显示CrMoNbTaV高熵合金的主要组成相为体心立方结构和少量的Laves相。而这其中的Laves相主要为Cr2Nb、V2Ta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4 mm×4 mm×3 mm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CrMoNbTaV高熵合金生成的晶粒呈树枝晶状形态。
3）显微硬度测定及分析。
利用线切割将获得的铸锭切割成4 mm×4 mm×3 mm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HV-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9.807 N(1 kgf)，加载15 s。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，最后得到该合金的显微硬度值为918.6 HV。
4）合金的耐腐蚀性能。
利用线切割将获得的铸锭切割成4 mm×4 mm×3 mm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30 min，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6 h、12 h、24 h、48h、96 h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CrMoNbTaV高熵合金具有优良的耐腐蚀性能。
表1实例中CrMoNbTaV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 0.4084 0.3974 0.4177 0.3560
腐蚀后质量/g 0.4085 0.3980 0.4180 0.3567
质量变化/g 0.0001 0.0006 0.0003 0.0007

Claims (4)

1.一种CrMoNbTaV高熵合金，其特征在于，所述高熵合金为固溶体相组成，其中，Cr:Mo:Nb:Ta:V的摩尔比依次为：1:1:1:1:1，其制备方法具体是按以下步骤完成的：
1）、采用Cr、Mo、Nb、Ta和V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；
2）、使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；
3）、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***的熔炼池内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼池内，放置完毕之后盖好炉盖，拧紧样品室旋钮；
4）、对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，充入工业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；
5）、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；
6）、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90~120 s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；
7）、熔炼4次以上之后停止熔炼，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。
2.一种CrMoNbTaV高熵合金的制备方法，其特征在于具体是按以下步骤完成的：
1）、采用Cr、Mo、Nb、Ta和V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；
2）、使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；
3）、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***的熔炼池内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼池内，放置完毕之后盖好炉盖，拧紧样品室旋钮；
4）、对样品室抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，充入工业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；
5）、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；
6）、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90~120 s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；
7）、熔炼4次以上之后停止熔炼，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。
3.根据权利要求1所述的一种CrMoNbTaV高熵合金，其特征在于步骤1）中所述的Cr、Mo、Nb、Ta和V金属粉末的纯度在99.5%以上。
4.根据权利要求2所述的一种CrMoNbTaV高熵合金的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的Cr、Mo、Nb、Ta和V金属粉末的纯度在99.5%以上。
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