CN111172445B - 双层密排六方结构的高熵合金 - Google Patents

双层密排六方结构的高熵合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双层密排六方结构的高熵合金，属于稀土合金材料技术领域，其成分是LaxCexPrxNdx，其中x为原子数百分数x＝25，或LaxCexPrxNdxSmx，其中x为原子数百分数x＝20，采用高纯氩气保护条件下，高真空电弧熔炼炉熔炼而成；本发明的高熵合金由轻稀土单质镧、铈、镨、钕、钐(La、Ce、Pr、Nd、Sm)制备，通过X射线衍射仪获得该高熵合金的X射线衍射谱，确定所制备的轻稀土高熵合金的晶体结构为双层密排六方结构。利用原位高压同步辐射X射线技术，确定其在高压下具有面心立方(fcc)和扭曲面心立方(dfcc)两种高压相结构。

Description

双层密排六方结构的高熵合金
技术领域
本发明涉及稀土合金材料技术领域，尤其是一种完全由轻稀土组成的双层密排六方结构高熵合金。
背景技术
稀土元素具有相似的晶体结构、相近的原子半径和电负性，彼此之间可以形成无限固溶体合金。因此，将稀土元素按照等原子百分比合金化，可以获得稀土高熵合金，其具有优异的磁性能，是良好的磁制冷材料，引起了材料科学工作者的广泛关注。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为两组：轻稀土：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕；重稀土：钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。目前，稀土高熵合金研究主要以重稀土(Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Lu)元素组成的重稀土高熵合金为主，如YGdTbDyLu、GdTbDyTmLu,DyGdHoTbY、GdDyErHoTb和DyGdHoTbY等，重稀土高熵合金具有密排六方晶体结构。少量轻稀土元素添加并不改变重稀土高熵合金的晶体结构，GdHoLaTbY，LaGdHoYCe等仍然保持密排六方结构。轻稀土元素La、Pr、Nd和Sm常温常压下都具有双层密排六方结构，而Ce具有面心立方(fcc)和双层密排六方(dhcp)两种结构。
在压力下稀土单质具有丰富的相变，由于导带d电子的特征，随着压力的升高，使得三价稀土元素，从La到Lu(除了Eu和Yb以外)表现出相似的晶体结构变化过程：hcp→Sm-type→dhcp→fcc，并且其相变压力随原子序数增大而提高。随着压力增大，将产生扭曲的fcc结构。进一步增大压力，部分稀土元素将转变成低对称性的结构，并伴随着体积塌缩。重稀土高熵合金YGdDyHoTb在高压下具有类似的相变过程，然而，完全由轻稀土元素形成的高熵合金及其高压下的相结构很少有报道。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种具有压致多形态转变的双层密排六方结构的高熵合金。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种双层密排六方结构的高熵合金，其成分是LaxCexPrxNdx，其中x为原子数百分数x＝25。
本发明技术方案的进一步改进在于：LaxCexPrxNdx合金在高压下均具有面心立方和扭曲面心立方两种结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：制备方法如下：
(1)按照等原子百分比称取纯度为99.5wt％-99.9wt％的La：25％，Ce：25％，Pr：25％，Nd：25％作为原料；
(2)将上述原料成分混合均匀放入高真空电弧熔炼炉熔炼中，在高纯氩气保护气氛下进行熔炼4～5次，在水冷铜模中冷却得到合金钮扣锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：检测方法如下：
步骤a，用金相镶样机将合金钮扣锭镶成尺寸为Φ5mm×5mm的试样，依次用400#、800#、1200#、2000#金相砂纸磨平试样表面，再对试样进行抛光；
步骤b，用X射线衍射仪测量轻稀土高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20℃～100℃，扫描速度4°/min；
步骤c，将合金锭磨成厚度为30μm的薄片，再用手术刀切成小片，在显微镜下挑选尺寸在50-80μm的小片，装到T301封垫Φ100μm样品腔中，利用硅油作为传压介质，通过金刚石对顶压砧提供高压，采用原位高压同步辐射X射线获得高压下轻稀土高熵合金的结构。
一种双层密排六方结构的高熵合金，其成分是LaxCexPrxNdxSmx，其中x为原子数百分数x＝20。
本发明技术方案的进一步改进在于：La20Ce20Pr20Nd20Sm20合金在高压下均具有面心立方和扭曲面心立方两种结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：其制备方法如下：
(1)按照等原子百分比称取纯度为99.5wt％-99.9wt％的La：20％，Ce：20％，Pr：20％，Nd：20％，Sm：20％作为原料；
(2)将上述原料成分混合均匀放入高真空电弧熔炼炉熔炼中，在高纯氩气保护气氛下进行熔炼4～5次，在水冷铜模中冷却得到合金钮扣锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：检测方法如下：
步骤A，用金相镶样机将合金钮扣锭镶成尺寸为Φ5mm×5mm的试样，依次用400#、800#、1200#、2000#金相砂纸磨平试样表面，再对试样进行抛光；
步骤B，用X射线衍射仪测量轻稀土高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20℃～100℃，扫描速度4°/min；
步骤C，将合金锭磨成厚度为30μm的薄片，再用手术刀切成小片，在显微镜下挑选尺寸在50-80μm的小片，装到T301封垫Φ100μm样品腔中，利用硅油作为传压介质，通过金刚石对顶压砧提供高压，采用原位高压同步辐射X射线获得高压下轻稀土高熵合金的结构。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明中的LaxCexPrxNdx稀土高熵合金，其中x为原子数百分数x＝25，或LaxCexPrxNdxSmx，其中x为原子数百分数x＝20，完全由轻稀土元素组成，打破了以往稀土高熵合金以重稀土元素为主的惯例，为稀土高熵合金开发提供新思路，促进稀土高熵合金在工业领域的应用。
该轻稀土高熵合金在常温常压下具有双层密排六方(dhcp)结构，在高压下具有面心立方(fcc)和扭曲面心立方(dfcc)两种结构。
附图说明
图1是合金La25Ce25Pr25Nd25铸锭常温常压下的X射线衍射图；
图2是合金La20Ce20Pr20Nd20Sm20铸锭常温常压下的X射线衍射图；
图3是合金La25Ce25Pr25Nd25高压下的X射线衍射图；
图4是合金La20Ce20Pr20Nd20Sm20高压下的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例一(如图1、图3)
一种双层密排六方结构的高熵合金，其成分是LaxCexPrxNdx，其中x为原子数百分数x＝25。LaxCexPrxNdx合金在高压下均具有面心立方(fcc)和扭曲面心立方(dfcc)两种结构。
双层密排六方结构的高熵合金La25Ce25Pr25Nd25的制备方法如下：
(1)按照等原子百分比称取La：25％，Ce：25％，Pr：25％，Nd：25％作为原料，且以上轻稀土金属的纯度在99.5wt％-99.9wt％范围内；
(2)将上述原料成分混合均匀放入高真空电弧熔炼炉熔炼中，在高纯氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼过程中将合金锭反复翻转4～5次以提高合金成分的均匀性，在水冷铜模中冷却得到合金钮扣锭。
双层密排六方结构的高熵合金La25Ce25Pr25Nd25检测方法如下：
步骤a，用金相镶样机将合金钮扣锭镶成尺寸为Φ5mm×5mm的试样，依次用400#、800#、1200#、2000#金相砂纸磨平试样表面，再对试样进行抛光；
步骤b，用X射线衍射仪测量轻稀土高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20℃～100℃，扫描速度4°/min；
步骤c，将合金锭磨成厚度为30μm的薄片，再用手术刀切成小片，在显微镜下挑选尺寸在50-80μm的小片，装到T301封垫Φ100μm样品腔中，封垫放置在金刚石对顶压砧上，利用硅油作为传压介质，通过金刚石对顶压砧提供高压；在中科院北京高压同步辐射装置4W2高压站，采用原位高压同步辐射X射线获得高压下轻稀土高熵合金的结构。
实施例二(如图2、图4)
一种双层密排六方结构的高熵合金，其成分是LaxCexPrxNdxSmx，其中x为原子数百分数x＝20。双层密排六方结构的高熵合金La20Ce20Pr20Nd20Sm20，在高压下均具有面心立方(fcc)和扭曲面心立方(dfcc)两种结构。
双层密排六方结构的高熵合金La20Ce20Pr20Nd20Sm20制备方法如下：
(1)按照等原子百分比称取纯度为99.5wt％-99.9wt％的La：20％，Ce：20％，Pr：20％，Nd：20％，Sm：20％作为原料；
(2)将上述原料成分混合均匀放入高真空电弧熔炼炉熔炼中，在高纯氩气保护气氛下进行熔炼4～5次，在水冷铜模中冷却得到合金钮扣锭。
双层密排六方结构的高熵合金La20Ce20Pr20Nd20Sm20检测方法如下：
步骤A，用金相镶样机将合金钮扣锭镶成尺寸为Φ5mm×5mm的试样，依次用400#、800#、1200#、2000#金相砂纸磨平试样表面，再对试样进行抛光；
步骤B，用X射线衍射仪测量轻稀土高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20℃～100℃，扫描速度4°/min；
步骤C，将合金锭磨成厚度为30μm的薄片，再用手术刀切成小片，在显微镜下挑选尺寸在50-80μm的小片，装到T301封垫Φ100μm样品腔中，利用硅油作为传压介质，通过金刚石对顶压砧提供高压，采用原位高压同步辐射X射线获得高压下轻稀土高熵合金的结构。
本发明采用高真空电弧熔炼炉制备了成分为La25Ce25Pr25Nd25和La20Ce20Pr20Nd20Sm20轻稀土高熵合金，通过X射线衍射仪测得其衍射谱，通过衍射谱标定，确定所制备的轻稀土高熵合金的晶体结构为双层密排六方(dhcp)结构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何为改变本发明的基本原理下，所做的改变、组合、简化所获得的说有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (1)

1.一种双层密排六方结构的高熵合金，其特征在于：其成分是LaxCexPrxNdxSmx，其中x为原子数百分数x＝20；
La20Ce20Pr20Nd20Sm20合金在高压下均具有面心立方和扭曲面心立方两种结构；
其制备方法如下：
(1)按照等原子百分比称取纯度为99.5wt％-99.9wt％的La：20％，Ce：20％，Pr：20％，Nd：20％，Sm：20％作为原料；
(2)将上述原料成分混合均匀放入高真空电弧熔炼炉熔炼中，在高纯氩气保护气氛下进行熔炼4～5次，在水冷铜模中冷却得到合金钮扣锭；
检测方法如下：
步骤A，用金相镶样机将合金钮扣锭镶成尺寸为Φ5mm×5mm的试样，依次用400#、800#、1200#、2000#金相砂纸磨平试样表面，再对试样进行抛光；
步骤B，用X射线衍射仪测量轻稀土高熵合金的X射线衍射谱，扫描角度范围为20℃～100℃，扫描速度4°/min；
步骤C，将合金锭磨成厚度为30μm的薄片，再用手术刀切成小片，在显微镜下挑选尺寸在50-80μm的小片，装到T301封垫Φ100μm样品腔中，利用硅油作为传压介质，通过金刚石对顶压砧提供高压，采用原位高压同步辐射X射线获得高压下轻稀土高熵合金的结构。
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