CN111020288B - 一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，合金的组成摩尔比为：Nb：25～32，Ta：12～19，Ti：47～54，Hf：1～7，Zr：2～8；所述合金的结构为单相体心立方结构，具有高塑性及耐腐蚀性，所述合金的压缩屈服强度为400～600MPa，压缩率65～85％，所述合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为‑0.37～‑0.47V和‑0.12～‑0.22V，自腐蚀电流密度分别为7.4×10^‑8～8.6×10^‑8A·cm^‑2和3.2×10^‑8～4.7×10^‑8A·cm^‑2。

Description

一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金。

背景技术

多主元合金是由五种或五种以上元素混合而成，具有高强度、高硬度、耐磨性和耐腐蚀性等特性。近些年越来越多的研究者开展了相关的研究，包括多主元合金成分设计、组织结构、物理化学性能、力学性能和热处理工艺等。由于多主元合金在成分设计上具有无限多种可能，所以多主元合金将极大的拓宽材料领域研究的边界。传统的以AlCoCr为基体的多主元合金通常形成双相结构，使得塑性以及耐蚀性受到较大影响，高熔点元素形成的多主元合金可形成单相结构，但由于现有的研究多按照等摩尔方式进行合金配比，过多的高熔点元素的加入使得合金的成本过高，不利于开发应用。

发明内容

本发明提供了一种塑性变形率很高、具有高耐蚀性，并形成单相体心立方结构的NbTaTi基多主元合金，多主元合金中含Hf、Nb、Ta等高熔点元素可以形成单相结构，有效地改善了多主元合金的塑性和耐蚀性，本发明所述多主元合金，在具有塑性变形率很高、高耐蚀性、并形成单相体心立方结构的基础上，有效减少贵重金属元素的加入，合理降低合金成本。

本发明采用以下技术方案：

一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，所述合金的组成摩尔比为，Nb：25～32，Ta：12～19，Ti：47～54，Hf：1～7，Zr：2～8。

进一步地，所述合金的结构为单相体心立方结构。

进一步地，所述合金的压缩屈服强度为400～600MPa，压缩率65～85％。

进一步地，所述合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.37～-0.47V和-0.12～-0.22V，自腐蚀电流密度分别为7.4×10^-8～8.6×10^-8A·cm^-2和3.2×10^-8～4.7×10^-8A·cm^-2。

优选，所述合金的组成摩尔比为，Hf：1～4，Nb：27～31，Ta：15～19，Ti：47～49，Zr：2～5。

进一步优选，所述合金各组分的摩尔比为Nb：Ta：Ti：Hf：Zr＝27：15：49：4：5，所述合金的568MPa，压缩率为74％，在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.38V和-0.13V，自腐蚀电流密度分别为7.6×10^-8A·cm^-2和3.3×10^-8A·cm^-2。

上述多主元合金的制备方法为：在氩气的保护下，将纯金属单质Hf、Nb、Ta、Ti、Zr按照摩尔比进行合金化真空电弧熔炼，熔炼电流保持在340～360A，熔炼过程中加电磁搅拌，反复熔炼6～8次，以保证铸锭熔炼均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.在多主元合金的基础上有效减少了高熔点合金如Hf、Ta和Zr元素的含量，降低了合金成本；通过真空电弧熔炼即可获得块体的合金材料，合金制备过程更加简易；Nb和Ti元素含量的配比使得合金可以形成单相的体心立方结构，多种主元可以在合金中完全混合，减少了由晶体缺陷引发的塑性及腐蚀性降低的可能性，从而使获得的合金具备优良的综合性能。本发明涉及的TaTiNb基多主元合金可以应用在潮湿以及酸性环境下的结构件中；

2.本发明的所述的TaTiNb基合金为单相体心立方结构(BCC)的固溶体、是一种具有高塑性的多主元合金材料；所述TaTiNb基合金多主元合金在模拟海水和模拟酸性条件下就存在钝化现象，耐蚀性非常好。

附图说明

图1为实施例1铸态Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金的显微组织图像；

图2为实施例1铸态Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金的X射线衍射图像；

图3为实施例1铸态Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线；

图4为实施例1制备的Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金在3.5％NaCl溶液中的极化曲线；

图5为实施例1制备的Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金在1mol/L硫酸溶液中的极化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明所述TaTiNb基多主元单相合金的制备步骤如下：

1.以纯度为99.5％以上的Hf、Nb、Ta、Ti、Zr金属单质为原料，使用电火花线切割机切割纯金属单质原料，用240#砂纸和砂轮将纯金属单质原料的表面氧化皮打磨掉，以Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝4：27：15：49：5的摩尔比，用电子天平称量需要的质量，得到实际质量与理论计算质量误差在百分之一以内的Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的纯金属单质原料；

2.为了避免影响实验的杂质引入，在进行真空电弧熔炼之前，需要将已经称量好的五种纯金属单质原料分别放入丙酮中使用超声波进行清洗，然后放入酒精中清洗，使用吹风机吹干，熔炼炉内的铜坩埚也需要用酒精进行擦拭，尽量保证铸锭的纯净；

3.将清洗过的纯金属单质原料按照熔点温度，依次放入水冷铜坩埚内，让熔点低的在下面，熔点高的在上面，这样做的目的是让熔点高的纯金属单质能够全部熔化，让每种金属元素都能充分混合；

4.关好炉门，进行抽真空直到10^-4量级，此时通入氩气作为保护气，至压力计为0.05Mpa，抽真空完毕时，开始引弧熔炼，先在另一个水冷铜坩埚内事先放置好的海绵钛进行熔炼，目的是去除炉膛内可能残余的氧气，避免残留的氧气氧化铸锭；然后将电弧引到需要熔炼的纯金属原料上，加大功率，使熔炼电流保持在340～360A，加电磁搅拌，保证电弧全部在纯金属单质原料的上方，按照此方法反复熔炼6～8次，以保证铸锭熔炼均匀，熔炼完成后，得到纽扣锭。

实施例1所制备的多主元单相合金显微组织如图1所示，可知的Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金为典型的树枝晶形貌；

实施例1所制备的多主元单相合金的X射线衍射图像如图2所示，可知Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金为单相体心立方结构；

实施例1所制备的多主元单相合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线如图3所示，可知Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金屈服强度为568MPa，弹性变形阶段很短，Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金呈现非常明显的塑性，压缩率为74％；

实施例1所制备的多主元单相合金在3.5％NaCl溶液中的极化曲线如图4所示，可知Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金在3.5％NaCl溶液中存在非常明显的钝化现象，而且钝化区很长，说明Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金在3.5％NaCl溶液中的耐蚀性很好，自腐蚀电位E(V)为-0.38V，测量得到的自腐蚀电流密度为7.6×10^-8A·cm^-2；

实施例1所制备的多主元单相合金在1mol/L硫酸溶液中的极化曲线如图5所示，可知Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元单相合金在1mol/L硫酸溶液中存在非常明显的钝化现象，而且钝化区很长，说明Hf₄Nb₂₇Ta₁₅Ti₄₉Zr₅多主元合金在1mol/L硫酸溶液中的耐蚀性很好，自腐蚀电位E(V)为-0.13V，测量得到的自腐蚀电流密度为3.3×10^-8A·cm^-2。

实施例2

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的摩尔比为Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝4：29：15：47：5，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到多主元单相合金屈服强度为532MPa，呈现明显的塑性，压缩率为74％；合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.39V和-0.12V，自腐蚀电流密度分别为7.7×10^{- 8}A·cm^-2和3.2×10^-8A·cm^-2，存在钝化区。

实施例3

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的摩尔比为Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝5：27：15：47：6，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到多主元单相合金屈服强度为551MPa，呈现明显的塑性，压缩率为66％；合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.41V和-0.18V，自腐蚀电流密度分别为8.1×10^{- 8}A·cm^-2和4.3×10^-8A·cm^-2，存在钝化区。

实施例4

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的摩尔比为Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝1：28：16：53：2，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到多主元单相合金屈服强度为427MPa，呈现非常明显的塑性，压缩率为84％；合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.39V和-0.20V，自腐蚀电流密度分别为8.5×10^-8A·cm^-2和4.6×10^-8A·cm^-2，存在钝化区。

实施例5

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的摩尔比为Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝5：25：12：52：6，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到多主元单相合金屈服强度为516MPa，呈现明显的塑性，压缩率为67％；合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.45V和-0.19V，自腐蚀电流密度分别为7.9×10^{- 8}A·cm^-2和4.1×10^-8A·cm^-2，存在钝化区。

实施例6

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的摩尔比为Hf：Nb：Ta：Ti：Zr＝1：31：19：47：2，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到多主元单相合金屈服强度为489MPa，呈现一定的塑性，压缩率为73％；合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.39V和-0.15V，自腐蚀电流密度分别为7.8×10^{- 8}A·cm^-2和3.5×10^-8A·cm^-2，存在钝化区。

以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，所述合金的组成摩尔比为，Nb：25～32，Ta：12～19，Ti：47～54，Hf：1～7，Zr：2～8；所述合金的压缩屈服强度为400～600MPa，压缩率65～85％。

2.根据权利要求1所述的一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，所述合金的组成摩尔比为，Hf：1～4，Nb：27～31，Ta：15～19，Ti：47～49，Zr：2～5。

3.根据权利要求1所述的一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，其组成按摩尔比计为，Nb：Ta：Ti：Hf：Zr＝27：15：49：4：5。

4.根据权利要求1所述的一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，其结构为单相体心立方结构。

5.根据权利要求1所述的一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，所述合金在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.37～-0.47V和-0.12～-0.22V，自腐蚀电流密度分别为7.4×10^-8～8.6×10^-8A·cm^-2和3.2×10^-8～4.7×10^-8A·cm^-2。

6.根据权利要求3所述的一种具有高耐腐蚀性的TaTiNb基多主元单相合金，其特征在于，所述合金的压缩屈服强度为568MPa，压缩率为74％，在3.5％NaCl溶液和1mol/L硫酸溶液中的自腐蚀电位分别为-0.38V和-0.13V，自腐蚀电流密度分别为7.6×10^-8A·cm^-2和3.3×10^-8A·cm^-2。

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