CN118028680A - 一种难熔高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难熔高熵合金及其制备方法，所述难熔高熵合金的化学表达式为TiZrNbAl0.2Ta0.1(原子摩尔百分比at.％)。本发明提供的低密度难熔高熵合金TiZrNbAl0.2Ta0.1，Al含量低，具有优异的强塑匹配性，压缩屈服强度达到1001MPa，压缩应变>70％，拉伸屈服强度达到894MPa，拉伸应变为大于13％，在高温合金领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种难熔高熵合金及其制备方法。
背景技术
高温合金是航空发动机与航天动力***的基石，其高温下的强度水平及稳定性直接决定了其装备的技战水平。随着航空航天工业的进一步发展，新一代高推重比/功重比航空发动机热端部件和高马赫数飞行器关键减重材料要求更加轻质和高强。目前，钛合金和镍基等高温合金的研制已经取得了重要的进展，被广泛应用于航空航天领域，但是它们又存在一定的局限性。例如：钛合金的密度较低，可以满足航空航天材料低密度的要求，但其使用温度很难突破600℃；传统的镍基、钴基以及铁基高温合金虽然具有很高的高温强度，能够满足高温性能的要求，但其密度普遍大于8g/cm3，无法满足低密度的要求。
近些年来，高熵合金的出现为合金成分的设计提供了一种新的思路，通过选择低密度的合金元素，可制备出一种新型的、更加轻质的、且高温性能优于传统高温合金材料的轻质高温高熵合金，从而弥补钛合金及镍基等高温合金的不足。
因此，急需研究开发一种更加轻质的工作温度在650℃以上的轻质高熵合金，以满足其在航空航天领域应用中的需求。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种难熔高熵合金及其制备方法，以此来解决现有高熵合金工作温度过低、密度高的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供一种难熔高熵合金，所述高熵合金的化学表达式为TiZrNbAl0.2Ta0.1。
本发明的第二方面，提供一种上述难熔高熵合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
按照所需原子个数计算出与之相关的各元素重量并进行原材料称取；
采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金。
优选的，采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金的步骤，具体包括：
将称取的原材料放置于水冷铜坩埚内，调节抽真空度不小于5*10-3Pa，充入氩气至气压到0.5Pa，增大电流至650A，反复进行熔炼，冷却后得到所述难熔高熵合金。
优选的，将称取的原材料放置于水冷铜坩埚内的步骤，具体包括：
将原材料按熔点高低顺序放置于水冷铜坩埚中，Al材料放置于所述水冷铜坩埚的最底层，Ti、Zr材料放置于所述水冷铜坩埚的中间层，Nb、Ta材料放置于所述水冷铜坩埚的最上层。
优选的，所述原材料中Ti的纯度为99.9wt％，Zr的纯度为99.5wt％，Nb的纯度为99.95wt％，Al的纯度为99.996wt％，Ta的纯度为99.95wt％。
优选的，所述熔炼的次数不少于6次。
优选的，每次对所述原材料熔炼的时间不少于5min，待合金冷却后翻转。
有益效果：
本发明公开了一种难熔高熵合金及其制备方法与应用，本发明通过选择低密度的金属元素Ti、Zr、Nb、Al，并适量添加微量的Ta元素，利用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术合成一种具有单相体心立方固溶体结构的低密度难熔高熵合金TiZrNbAl0.2Ta0.1，其具有优异的强塑匹配性，压缩屈服强度达到1001MPa，压缩应变>70％，拉伸屈服强度达到894MPa，拉伸应变为大于13％，在高温合金领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的TiZrNbAl0.2Ta0.1的示意图；
图2为本发明实施例1制备的TiZrNbAl0.2Ta0.1的XRD图；
图3为本发明实施例1制备的TiZrNbAl0.2Ta0.1的压缩应力-应变曲线；
图4为本发明实施例1制备的TiZrNbAl0.2Ta0.1的拉伸真应力-真应变曲线。
具体实施方式
本发明提供一种难熔高熵合金及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种难熔高熵合金，所述高熵合金的化学表达式为TiZrNbAl0.2Ta0.1。
本发明实施例提供的难熔高熵合金，其中，等比例的Ti、Zr、Nb元素具有轻质、耐高温、强度高、塑性好等优点，在等比例TiZrNb的基础上，加入的Al元素可以有效降低合金的密度，提高合金强度及抗氧化性，但Al含量不宜过高，否则容易析出脆性相，导致合金变脆，塑性极大降低，成型性下降，Ta具有优异的塑性、耐腐蚀性以及高熔点，向合金中添加微量的Ta元素可以有效提升合金强度、比强度、塑性和热稳定性，但是Ta元素含量不宜过高，否则容易导致合金力学性能恶化，以及合金密度过高。
并且，本发明的难熔高熵合金中Ti、Al、Nb和Ta原子半径差别很小，但Zr原子半径相对较大，可以起到良好的固溶强化效果，且合金具有较高的强度和良好的塑性。
本发明的实施例提供一种上述难熔高熵合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
按照所需原子个数计算出与之相关的各元素重量并进行原材料称取；
采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金。
在一些实施方式中，采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金的步骤，具体包括：
将称取的原材料放置于水冷铜坩埚内，调节抽真空度不小于5*10-3Pa，充入氩气至气压到0.5Pa，增大电流至650A，反复进行熔炼，冷却后得到所述难熔高熵合金。
高真空度是为了防止熔炼过程中掺入氧原子杂质，通入氩气是因为该型号电弧熔炼炉是利用氩气起弧熔炼，同时兼有保护气体的作用。反复熔炼是为了保证熔炼得到的合金锭成分均匀。
在一些实施方式中，将称取的原材料放置于水冷铜坩埚内的步骤，具体包括：
将原材料按熔点高低顺序放置于水冷铜坩埚中，Al材料放置于所述水冷铜坩埚的最底层，Ti、Zr材料放置于所述水冷铜坩埚的中间层，Nb、Ta材料放置于所述水冷铜坩埚的最上层。
在一些实施方式中，所述原材料中Ti的纯度为99.9wt％，Zr的纯度为99.5wt％，Nb的纯度为99.95wt％，Al的纯度为99.996wt％，Ta的纯度为99.95wt％。
在一些实施方式中，所述熔炼的次数不少于6次。
在一些实施方式中，每次对所述原材料熔炼的时间不少于5min，待合金冷却后翻转。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅在于说明本发明而决不限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种难熔高熵合金的制备，如图1所示，包括以下步骤：
选取纯度为99.9wt％的Ti、纯度为99.5wt％的Zr、纯度为99.95wt％的Nb、纯度为99.996wt％Al、纯度为99.95wt％的Ta，按照合金表达式进行配料。将上述金属原材料按照熔点高低顺序依次放入水冷铜坩埚中，Al材料放置于最底层，Ti、Zr材料放置于中间层，Nb、Ta材料放置于最上方，原材料放置完毕后，将实验腔室抽真空至5*10-3Pa，再通入氩气作为保护气体至腔室内气压为0.5Pa。通入保护气体后，先将放置于另一铜坩埚内的Ti锭融化不少于一分钟，以吸收腔内残余的氧。等腔室冷却后开始对原材料进行熔炼，熔炼过程中，增加电流到650A，逐步融化原材料，并且持续加热保持材料处于熔融状态不低于5分钟。待一次熔炼结束铸锭冷却后将其翻面重复上述步骤进行熔炼，反复熔炼次数不少于6次，最终熔炼出成分分布均匀的TiZrNbAl0.2Ta0.1低密度难熔高熵合金。
对比例1
以与实施例1相同的方法熔炼出高铝浓度的TiZrNbAlTa0.1低密度难熔高熵合金，该合金由于Al含量过高，其相结构除体心立方固溶体相外还析出了脆性的Al3Zr5金属间化合物相；其压缩屈服强度为1185MPa，压缩应变为～6％，相比较于实例1，其压缩塑性有极大的恶化；其拉伸塑性几乎为0，无法进行测量；其成型性极差。
性能检测实验
对实施例1制备的TiZrNbAl0.2Ta0.1进行XRD检测，如图2所示，TiZrNbAl0.2Ta0.1具有单相体心立方固溶体结构，无析出相，表现出多组元的高熵效应。如图3所示，TiZrNbAl0.2Ta0.1具有优异的强塑匹配性，压缩屈服强度达到1001MPa，压缩应变>70％。如图4所示，TiZrNbAl0.2Ta0.1的拉伸屈服强度达到894MPa，拉伸应变＞13％，具有优异的成型性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种难熔高熵合金，其特征在于，所述难熔高熵合金的化学表达式为TiZrNbAl0.2Ta0.1。
2.一种权利要求1所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按照所需原子个数计算出与之相关的各元素重量并进行原材料称取；
采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金。
3.根据权利要求2所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，采用真空电弧熔炼水冷铜坩埚技术对上述原材料进行熔炼，冷却后得到所述高熵合金的步骤，具体包括：
将称取的原材料放置于水冷铜坩埚内，调节抽真空度不小于5*10-3Pa，充入氩气至气压到0.5Pa，增大电流至650A，反复进行熔炼，冷却后得到所述难熔高熵合金。
4.根据权利要求3所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，将称取的原材料按照放置于水冷铜坩埚内的步骤，具体包括：
将原材料按熔点高低顺序放置于水冷铜坩埚中，Al材料放置于所述水冷铜坩埚的最底层，Ti、Zr材料放置于所述水冷铜坩埚的中间层，Nb、Ta材料放置于所述水冷铜坩埚的最上层。
5.根据权利要求2所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述原材料中Ti的纯度为99.9wt％，Zr的纯度为99.5wt％，Nb的纯度为99.95wt％，Al的纯度为99.996wt％，Ta的纯度为99.95wt％。
6.根据权利要求2所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼的次数不少于6次。
7.根据权利要求2所述的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，每次对所述原材料熔炼的时间不少于5min，待合金冷却后翻转。
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