CN113584368A - 一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金及其制备方法，特别涉及一种MoNbTiSi系难熔高熵合金材料及其制备方法，属于高熵合金领域。为了获得具有较低的密度和高强度，该新型合金引用了共晶合金的概念，设计出了两相结构的难熔组织。该合金由Mo、Nb、Ti及Si元素组成，具有硅化物相及BCC相。该新型合金具有高的强度和较好的塑性变形能力，同时其密度在5.5～6.5g/cm3之间。其室温下的屈服强度在1.2GPaMPa以上，断裂应变为15％左右，在1000℃下，其屈服强度为800MPa，断裂应变为20％。由于其特殊的微观组织，其在高温下表现为良好的抗氧化性能。

Description

一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金及其制备方法，特别涉及一种 MoNbTiSi系难熔高熵合金材料及其制备方法，属于高熵合金领域。
背景技术
高熵合金是近十几年来提出的一种新型合金设计理念。相比于传统合金只具有一种到两种主元，高熵合金具有多种主元，并形成了单一固溶体相。这种特点使得高熵合金具有结构上的晶格畸变效应、热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、以及性能的鸡尾酒效应。这些效应使得高熵合金在航空航天、防护、生物等领域有巨大的应用潜力。因此，近些年高熵合金成为了合金领域的一大研究热点。
高熵合金具有晶格畸变和迟滞扩散效应，这使得其在高温领域具有很好的应用前景。目前，高熔点高熵合金是有望取代传统高温合金的一种新型合金材料。WNbMoTa、WNbMoTaV 等难熔高熵合金具有很高的高温强度，但是密度很高，这与当今倡导节能减排的大趋势相悖。另外难熔金属较差的抗氧化性使得这些合金难以在真正的高温条件下应用。一些研究通过添加Al、Cr、Si等元素同时降低合金密度及提高抗氧化性。然而，由于这些元素通常偏聚于晶界形成B2相，Laves相以及硅化物相，一方面极大的降低了力学性能，另一方面，这些金属间化合物对基体没有保护作用，导致抗氧化性能依旧不能满足应用需求。因此，如何获得具有低密度的抗氧化高强难熔高熵合金迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在为了解决现有高温用高熵合金密度较高、抗氧化性较差的问题，提供一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金及其制备方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金，组成为MoaNbbTicSid，其中a的原子百分比为20％～30％，b的原子百分比为20％～40％，c的原子百分比为20％～40％，d的原子百分比为20％～25％，其中，d＞0.35*a+0.18*b+0.17*c。合金组成为硅化物相及BCC相。 a+b+c+d＝100％。
根据Mo-Si、Nb-Si以及Ti-Si相图，各二元体系中Si含量分别为25.9％，15.25％以及14.5％。即在共晶点处，Mo-Si比例为1：0.35，Nb-Si比例为1：0.18，Ti-Si比例为1：0.17。根据多组元合金共晶形成法则，多组元共晶成分可以分解为二元共晶加权平均。因此，当 d＝0.35*a+0.18*b+0.17*c时，合金组成为共晶合金。为了提高抗氧化性能，此处将提高Si含量，使得硅化物成为基体，而BCC相分布与硅化物基体之上，实现在高温下的抗氧化作用。为了兼顾较好的塑性变形能力，Si的含量控制在25％以内。
所述的MoaNbbTicSid难熔高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选用Mo、Nb、Ti、Si五种元素，根据原子百分比精确称量，并根据熔点由低到高，即Si、Ti、Nb、Mo的顺序，依次放入非自耗真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。
步骤二：关闭炉门，将非自耗真空电弧熔炼炉抽至真空状态，之后再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体。
步骤三：对MoaNbbTicSid合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并混合均匀，然后等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，共进行五次熔炼。其中，第三次到第四次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀。
步骤四：待MoaNbbTicSid合金熔炼结束，铜模冷却至室温，打开炉门，取出样品，得到MoaNbbTicSid合金。
有益效果
本发明的一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金材料，组成为MoaNbbTicSid，通过真空非自耗电弧熔炼炉制备得到具有硅化物及BCC的相组成。通过合理的成分及微观组织设计，MoaNbbTicSid合金兼具低的密度、高的高温强度及良好的抗氧化性能。
SEM及EDS测试结果显示，该合金组成为硅化物相及分布其上的BCC相。MoaNbbTicSid 合金具有低的密度，高的室高温强度以及较好的塑性变形能力，另外也具有良好的抗氧化性能。其密度在5.5g/cm3～6.2g/cm3在室温下的强度可以达到1.2GPa以上，同时压缩断裂应变在15％左右。在1000℃下，其强度能达到800MPa，远超绝大多数难熔高熵合金。
附图说明
图1是Mo23Nb27Ti26Si24合金的微观组织图；
图2是Mo23Nb27Ti26Si24合金在室温和1000℃下的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金材料，其特征在于，组成为Mo23Nb27Ti26Si24合金，合金组成为硅化物相及BCC相，如图1所示。
所述的Mo23Nb27Ti26Si24难熔高熵合金材料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选用Mo、Nb、Ti、Si五种元素，根据原子百分比精确称量，并根据熔点由低到高，即Si、Ti、Nb、Mo的顺序，依次放入非自耗真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。
步骤二：关闭炉门，将非自耗真空电弧熔炼炉抽至真空状态，之后再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体。
步骤三：对MoaNbbTicSid合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并混合均匀，然后等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，共进行五次熔炼。其中，第三次到第四次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀。
步骤四：待Mo23Nb27Ti26Si24合金熔炼结束，铜模冷却至室温，打开炉门，取出样品，得到Mo23Nb27Ti26Si24合金。
对该合金在室温及1000℃下进行压缩力学性能测试，如图2所示。实验表明：该合金室温屈服强度为1350MPa，断裂应变为15％，其在1000℃下屈服强度为800MPa，断裂应变为 20％。利用阿基米德排水法，测得该合金的密度为6.13g/cm3。将该合金在1000℃的热处理中氧化6h，发现其保持较好的原始形貌，表明其具有较好的抗氧化性能。
实施例2
一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金材料，其特征在于，组成为Mo24Nb26Ti28Si22合金，合金组成为硅化物相及BCC相。
所述的Mo24Nb26Ti28Si22难熔高熵合金材料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选用Mo、Nb、Ti、Si五种元素，根据原子百分比精确称量，并根据熔点由低到高，即Si、Ti、Nb、Mo的顺序，依次放入非自耗真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。
步骤二：关闭炉门，将非自耗真空电弧熔炼炉抽至真空状态，之后再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体。
步骤三：对Mo24Nb26Ti28Si22合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并混合均匀，然后等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，共进行五次熔炼。其中，第三次到第四次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀。
步骤四：待Mo24Nb26Ti28Si22合金熔炼结束，铜模冷却至室温，打开炉门，取出样品，得到Mo24Nb26Ti28Si22合金。
对该合金在室温及1000℃下进行压缩力学性能测试。实验表明：该合金室温屈服强度为 1250MPa，断裂应变为17％，其在1000℃下屈服强度为780MPa，断裂应变为25％。利用阿基米德排水法，测得该合金的密度为6.19g/cm3。
实施例3
一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金材料，其特征在于，组成为Mo20Nb30Ti30Si20合金，合金组成为硅化物相及BCC相。
所述的Mo20Nb30Ti30Si20难熔高熵合金材料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选用Mo、Nb、Ti、Si五种元素，根据原子百分比精确称量，并根据熔点由低到高，即Si、Ti、Nb、Mo的顺序，依次放入非自耗真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。
步骤二：关闭炉门，将非自耗真空电弧熔炼炉抽至真空状态，之后再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体。
步骤三：对Mo20Nb30Ti30Si20合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并混合均匀，然后等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，共进行五次熔炼。其中，第三次到第四次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀。
步骤四：待Mo20Nb30Ti30Si20合金熔炼结束，铜模冷却至室温，打开炉门，取出样品，得到Mo20Nb30Ti30Si20合金。
对该合金在室温及1000℃下进行压缩力学性能测试。实验表明：该合金室温屈服强度为 1210MPa，断裂应变为18％，其在1000℃下屈服强度为750MPa，断裂应变为30％。利用阿基米德排水法，测得该合金的密度为6.20g/cm3。
以上是有关本发明的较佳实施例的说明。在此，需要说明的一点是，本发明并不局限于以上实施例，在满足权利要求书、发明内容以及附图等范围要求的情况下，可以对本发明所作的任何修改、同等替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低密度双相硅化物增强难熔高熵合金，其特征在于：组成为MoaNbbTicSid，其中a的原子百分比为20％～30％，b的原子百分比为20％～40％，c的原子百分比为20％～40％，d的原子百分比为20％～25％，其中，d＞0.35*a+0.18*b+0.17*c，或者d＞0.35*a+0.18*b+0.17*c；合金组成为硅化物相及BCC相。
2.如权利要求1所述的低密度双相硅化物增强难熔高熵合金，其特征在于：所述Si的含量控制在25％以内。
3.制备如权利要求1所述低密度双相硅化物增强难熔高熵合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、根据熔点由低到高，即Si、Ti、Nb、Mo的顺序，依次放入非自耗真空电弧熔炼炉中；
步骤二、将非自耗真空电弧熔炼炉抽至真空状态，之后再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体；
步骤三、对MoaNbbTicSid合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并混合均匀，然后等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，共进行五次熔炼；其中，第三次到第四次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀；
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