CN109338200A - 一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法，是通过在难熔高熵合金基体中微合金化氧或氮元素并利用高熵合金基体高的热稳定性，从而实现该类高熵合金的高温阻尼性能。工艺如下：将金属原料Ta、Nb、Hf、Zr、Ti、Mo、V、W、Al等用机械方法去除氧化皮后按摩尔比称量，其它添加元素采用机械去皮、超声清洗或酸洗后按摩尔比称量，氧元素以氧化物的形式加入，氮元素以氮化物的形式加入；经非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里熔炼，采用真空吸铸或浇铸设备获得合金。本发明利用高熵合金高的组织稳定性，通过小原子微合金化显著提高了合金的高温阻尼性能及力学性能。

Description

一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，尤其涉及一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法。

背景技术

科技发展促进了机械设备功率及运转速度的大幅度提高，也不可避免的带来了机械振动及噪音污染。振动和噪音不仅大幅度降低设备的使用寿命，还会严重的影响生态环境，损害公众的身心健康。因此，近年来用于减振降噪，改善人机工作环境的高阻尼合金已受到越来越多的科研工作者的重视。

高阻尼合金的发展，依据其阻尼机制的不同，大致形成了三类传统的高阻尼合金：位错型高阻尼合金，如Mg-Zr系高阻尼合金；铁磁型高阻尼合金，如Fe-Cr系高阻尼合金；孪晶型高阻尼合金，如Mn-Cu系高阻尼合金。此三类高阻尼合金均已得到了商业化生产和应用。然而，这三类高阻尼合金的力学性能尚有待改善，且其服役稳定性不足，服役温度较低。三类高阻尼合金中的低维缺陷在持续振动载荷下易于发生扩散性的再分布，且在高维缺陷区域逐渐富集，从而产生钉扎，最终导致高维缺陷的弛豫强度逐渐下降直至消失，这大大恶化了合金的阻尼性能，缩短了其服役寿命。

近期，一种新的阻尼机制得以发展，即Snoek型高阻尼合金。这类高阻尼合金是利用间隙原子(如C,B,O,N,H)在应力诱发下产生的定向扩散效应。这类高阻尼合金大多为体心立方结构金属，如β-Ti合金、α-Fe等。该弛豫过程可重复发生而不破坏基体合金的体心立方结构。因而，这类高阻尼合金的阻尼性能可逆性好，其服役寿命也普遍认为大大高于传统的高阻尼合金。

虽然Snoek型高阻尼合金弥补了传统合金稳定性差的不足，但这类合金并没有改善其高温阻尼性能及力学性能。与传统的高阻尼合金类似，该类高阻尼合金仍然只适用于300-500℃的低温区域。当前，航空航天领域迅速发展，进一步发展兼具优异力学性能的高温高阻尼合金刻不容缓。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用高熵合金高的组织稳定性，在高熵合金基体中添加间隙原子，促使高熵基体中应力诱导下小原子的定向扩散效应，获得具有简单体心立方结构的间隙原子合金化的Snoek型高温高阻尼高熵合金。

本发明的技术方案是：一种高温高阻尼高熵合金，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eO_pN_q，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+p+q＝100。

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eM_fO_pN_q，其中M为I、J、K或L中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤f≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+f+p+q＝100。

进一步，当q＝2,p＝0，a＝12.5,b＝12.5,c＝24.5,d＝24.5,e＝24.5,时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂。

进一步，当q＝0,p＝2,a＝12.5,b＝12.5,c＝24.5,d＝24.5,e＝24.5,时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂。

进一步，当q＝2,p＝0，a＝16.33,b＝16.33,c＝32.67,d＝16.33,e＝32.67时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33O₂。

进一步，当q＝0,p＝2，a＝16.33,b＝16.33,c＝32.67,d＝16.33,e＝32.67时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33N₂。

进一步，q＝1.0,p＝1.0，a＝4.67,b＝23.33,c＝23.33,d＝23.33,e＝23.33时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_23.33Zr_23.33Hf_23.33Nb_23.33Ta_4.67O_1.0N_1.0。

进一步，当q＝1.5,p＝1.5，a＝6.77,b＝22.56,c＝22.56,d＝22.56,e＝22.56时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_22.56Zr_22.56Hf_22.56Nb_22.56Ta_6.77O_1.5N_1.5。

本发明的另一目的是提供上述合金的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1.原料清洗：使用砂纸或砂轮机去除选定原料中金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，其它金属元素采用机械法或酸洗法来除去金属表面的氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，备用；

步骤2：称取原料：将处理后的原料、氧化物及氮化物按照上述表达式的原子百分比换算成质量比进行配比称料，其中O或N元素以粉体或块体氧化物或氮化物的方式加入，氧化物和氮化物的纯度不低于99.9％；

步骤3.熔炼：将称取好的原料、氧化物及氮化物原料按熔点高低顺序堆放在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里进行熔炼，类金属、氧化物及氮化物放于坩埚底部，然后进行抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，向炉腔充氩气至半个大气压，接着再抽一遍真空至5×10^-3Pa，再向炉腔充氩气至半个大气压，开始熔炼合金；熔炼合金之前先熔炼钛锭来吸去炉腔内游离的氧、氮等气体，合金熔化后，电弧保持时间在60-120秒，待合金块冷却后将其翻转，如此重复至少4次以上，且熔炼合金两次后都再抽真空并重新充氩气，待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸设备，将合金吸铸进入水冷铜模中，获得简单体心立方结构的高熵合金材料。

进一步，所述方法制备得到的高熵合金材料具有简单体心立方结构，阻尼性能为tanδ_max≥0.01，阻尼弛豫峰温也超过700K,拉伸屈服强度超过1.0GPa,拉伸塑性超过10.0％，可适用于高温减震。

本发明的有益效果和优点在于：

1、本发明所提供的一种高温高阻尼高熵合金具有大的成分适用范围以及宽泛的制备条件。

2、可以通过对合金成分以及后续热处理、冷加工等技术手段的调整，来调控获得不同的力学性能及阻尼性能。

3、本发明提供的高温高阻尼高熵合金材料的主要元素为普通纯金属原料，氧化物和氮化物更是普通的陶瓷原料，价格便宜，且具有制备方便，工艺简单，使用安全等优点。

4、本发明所制备得到的高熵合金具有优异的力学性能，拉伸屈服强度超过1.0GPa,拉伸塑性超过10.0％。

5、本发明所制备得到的高熵合金具有优异的高温阻尼性能，弥补了阻尼合金高温应用的空白。

6、本发明所制备得到的高熵合金兼具优异的力学性能和高温阻尼性能，可广泛适用于结构及阻尼应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

图2为本发明实施例Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5N₂高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

图3为本发明实施例Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33O₂高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

图4为本发明实施例Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33N₂高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

图5为本发明实施例Ti_23.33Zr_23.33Hf_23.33Nb_23.33Ta_4.67O_1.0N_1.0高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

图6为本发明实施例Ti_22.56Zr_22.56Hf_22.56Nb_22.56Ta_6.77O_1.5N_1.5高熵合金的阻尼性能曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eO_pN_q，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+p+q＝100。

所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eM_fO_pN_q，其中M为I、J、K或L中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤f≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+f+p+q＝100。

一种制备上述的高温高阻尼高熵合金的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.原料清洗：使用砂纸或砂轮机去除选定原料中金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，其它金属元素采用机械法或酸洗法来除去金属表面的氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，备用；

步骤2：称取原料：将处理后的原料、氧化物及氮化物按照上述表达式的原子百分比换算成质量比进行配比称料，其中O或N元素以粉体或块体氧化物或氮化物的方式加入，氧化物和氮化物的纯度不低于99.9％；

步骤3.熔炼：将称取好的原料、氧化物及氮化物原料按熔点高低顺序堆放在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里进行熔炼，类金属、氧化物及氮化物放于坩埚底部，然后进行抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，向炉腔充氩气至半个大气压，接着再抽一遍真空至5×10^-3Pa，再向炉腔充氩气至半个大气压，开始熔炼合金；熔炼合金之前先熔炼钛锭来吸去炉腔内游离的氧、氮等气体，合金熔化后，电弧保持时间在60-120秒，待合金块冷却后将其翻转，如此重复至少4次以上，且熔炼合金两次后都再抽真空并重新充氩气，待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸设备，将合金吸铸进入水冷铜模中，获得高熵合金材料。

所述方法制备得到的高熵合金材料具有简单体心立方结构，阻尼性能为tanδ_max≥0.01，阻尼弛豫峰温也超过700K,拉伸屈服强度超过1.0GPa,拉伸塑性超过10.0％，可适用于高温减震。

实施例1

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂，如图1所示，该合金为高阻尼合金(tanδ_max≥0.01),且其阻尼弛豫峰温大于700K,表明该合金可以适用于高温减震领域。

实施例2

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5N₂，如图2所示，其tanδ_max≥0.01，为高阻尼合金,且其阻尼弛豫峰温大于700K,表明该合金可以适用于高温减震领域。

实施例3

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33O₂，如图3所示，其tanδ_max≥0.01，为高阻尼合金,且其阻尼弛豫峰温大于700K,表明该合金也可以适用于高温减震。

实施例4

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33N₂，如图4所示，其tanδ_max≥0.01，为高阻尼合金,且其阻尼弛豫峰温超过700K,表明该合金也可以适用于高温减震。

实施例5

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ti_23.33Zr_23.33Hf_23.33Nb_23.33Ta_4.67O_{1. 0}N_1.0，如图5所示，氧氮原子同时添加的时候，其tanδ_max≥0.01，合金仍表现出高的阻尼性能，且其阻尼弛豫峰温也高于700K,可适用于高温减震。

实施例6

一种高温高阻尼高熵合金，其成分(原子比)为：Ti_22.56Zr_22.56Hf_22.56Nb_22.56Ta_6.77O_{1. 5}N_1.5，如图6所示，氧氮原子同时添加的时候，其tanδ_max≥0.01，合金仍表现出高的阻尼性能，且其阻尼弛豫峰温也超过700K,可适用于高温减震。

本发明创新性的以热稳定性高的高熵合金为基体，利用间隙原子在应力诱导下的弛豫效应，从而实现其高温高阻尼特性，且该类间隙固溶强化的高熵合金亦具有优异的力学性能。

Claims (10)

1.一种高温高阻尼高熵合金及其制备方法，其特征在于，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eO_pN_q，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+p+q＝100。

2.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_aNb_bHf_cZr_dTi_eM_fO_pN_q，其中M为I、J、K或L中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0≤c≤35,0≤d≤35,0≤e≤35,0≤f≤35,0≤p≤5，0≤q≤5，且a+b+c+d+e+f+p+q＝100。

3.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝2,p＝0，a＝12.5,b＝12.5,c＝24.5,d＝24.5,e＝24.5,时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂。

4.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝0,p＝2,a＝12.5,b＝12.5,c＝24.5,d＝24.5,e＝24.5,时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ta_12.25Nb_12.25Hf_24.5Zr_24.5Ti_24.5O₂。

5.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝2,p＝0，a＝16.33,b＝16.33,c＝32.67,d＝16.33,e＝32.67时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33O₂。

6.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝0,p＝2，a＝16.33,b＝16.33,c＝32.67,d＝16.33,e＝32.67时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_32.67Hf_32.67Nb_16.33Ta_16.33N₂。

7.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝1.0,p＝1.0、a＝4.67,b＝23.33,c＝23.33,d＝23.33,e＝23.33时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_23.33Zr_23.33Hf_23.33Nb_23.33Ta_4.67O_1.0N_1.0。

8.根据权利要求1所述的高温高阻尼高熵合金材料，其特征在于，当q＝1.5,p＝1.5、a＝6.77,b＝22.56,c＝22.56,d＝22.56,e＝22.56时，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_22.56Zr_22.56Hf_22.56Nb_22.56Ta_6.77O_1.5N_1.5。

9.一种制备如权利要求1‐8任意一项所述的高温高阻尼高熵合金的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.原料清洗：使用砂纸或砂轮机去除选定原料中金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，其它金属元素采用机械法或酸洗法来除去金属表面的氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，备用；

步骤2：称取原料：将处理后的原料、氧化物及氮化物按照上述表达式的原子百分比换算成质量比进行配比称料，其中O或N元素以粉体或块体氧化物或氮化物的方式加入，氧化物和氮化物的纯度不低于99.9％；

步骤3.熔炼：将称取好的原料、氧化物及氮化物原料按熔点高低顺序堆放在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里进行熔炼，类金属、氧化物及氮化物放于坩埚底部，然后进行抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，向炉腔充氩气至半个大气压，接着再抽一遍真空至5×10^-3Pa，再向炉腔充氩气至半个大气压，开始熔炼合金；熔炼合金之前先熔炼钛锭来吸去炉腔内游离的氧、氮等气体，合金熔化后，电弧保持时间在60-120秒，待合金块冷却后将其翻转，如此重复至少4次以上，且熔炼合金两次后都再抽真空并重新充氩气，待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸设备，将合金吸铸进入水冷铜模中，获得高熵合金材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法制备得到的高熵合金材料具有简单体心立方结构，阻尼性能为tanδ_max≥0.01，阻尼弛豫峰温也超过700K,拉伸屈服强度超过1.0GPa,拉伸塑性超过10.0％，可适用于高温减震。