一种面向高温应用的低密度高熵合金材料及其制备方法与流程

文档序号:15457760发布日期:2018-09-15 01:38

本发明涉及一种面向高温应用的低密度高熵合金材料及其制备方法,特别涉及一种TiAlNbVMo系低密度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,但是塑性较差,同时密度也很高,这与当今倡导节能减排的大趋势相悖。因此,如何获得具有低密度高韧性的高温应用的高熵合金迫在眉睫。



技术实现要素:

本发明的目的在于解决高温用高熵合金密度较高、塑性较差的问题,提供一种面向高温应用的低密度高熵合金材料及其制备方法。

为了实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现的。

一种面向高温应用的低密度高熵合金材料,包括钛(Ti)、铝(Al)、铌(Nb)、钒(V)、钼(Mo)五种元素,其中Ti的原子百分比为20%~40%,Al的原子百分比为5%~20%,Nb的原子百分比为10%~20%,V的原子百分比为10%~30%,Mo的原子百分比为5%~15%。五种元素组成为单相体心立方(BCC)结构。

一种面向高温应用的低密度高熵合金材料的制备方法,包括以下步骤:

步骤一、选用Ti、Al、V、Nb、Mo五种元素,利用小砂轮去除金属表面的氧化皮,并利用超声清洗机对原料进行清洗。根据TiAlNbVMo高熵合金的原子百分比精确称量Ti、Al、V、Nb、Mo原料,并根据熔点由低到高,即Al、Ti、V、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、在高纯氩气的保护下进行引弧,首先将非自耗真空电弧熔炼炉中自带的纯Ti锭进行熔炼,从而降低真空腔内的氧含量,熔炼时间为2min左右。然后,对TiAlNbVMo系低密度高熵合金的原料进行熔炼,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,共进行六次熔炼。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TiAlNbVMo系低密度高熵合金熔炼结束,铜模冷却至室温,打开炉门,取出样品,得到TiAlNbVMo系高熵合金。

上述步骤二中炉膛真空度小于2.5×10-3Pa。

上述步骤二中保护气氛压强为0.06MPa。

上述步骤三中熔炼电流为400~500A,熔炼电压在10~20V。

上述步骤三中每次熔炼时间为3min左右,合金保持液态时间不少于于2min。

有益效果

1、本发明的一种TiAlNbVMo系低密度高熵合金,主要是利用Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素,通过真空非自耗电弧熔炼炉制备得到单一BCC相的固溶体高熵合金。通过大量引入低密度的Ti、Al、V得到较低的密度,通过保留Nb、Mo保证一定的高温性能,最终得到单相BCC的固溶体。

2、TiAlNbVMo系低密度高熵合金具有较低的密度,并在室温和高温下均具有良好的强度和塑性。其中,Ti35Al15Nb20V20Mo10实际测试密度为6.027g/cm3,压缩条件下,室温屈服强度为950MPa,800℃下屈服强度为550MPa,并且在压缩测试过程中均为产生裂纹,塑性应变大于50%。Ti40Al10Nb20V20Mo10实际测试密度为6.102g/cm3,压缩条件下,室温屈服强度为900MPa,800℃下屈服强度为500MPa,并在压缩测试过程中均为产生裂纹,塑性应变大于50%。Ti30Al20V20Nb20Mo10实际测试密度为5.876g/cm3,压缩条件下,其室温屈服强度为1200MPa,塑性应变为10%,800℃下屈服强度为700MPa,塑性应变为30%。

附图说明

图1是TiAlNbVMo系高熵合金的X射线衍射(XRD)图谱;

图2是铸态TiAlNbVMo系高熵合金的室温和800℃下的压缩应力应变曲线:(a)Ti35Al15Nb20V20Mo10;(b)Ti40Al10Nb20V20Mo10;(c)Ti30Al20Nb20V20Mo10。

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

本实施例是一种Ti35Al15Nb20V20Mo10系高熵合金,由Ti、Al、V、Nb、Mo等五种元素构成,Ti的相对原子百分比含量为35%,Al的相对原子百分比为15%、V的相对原子百分比为20%、Nb的相对原子百分比为20%、Mo的相对原子百分比约为10%。Ti35Al15Nb20V20Mo10为单相BCC结构,如图1所示。

所述Ti、Al、V、Nb、Mo等金属原料的纯度高于99.99wt%;

所述Ti35Al15Nb20V20Mo10高熵合金的制备方法为:

步骤一:选取Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素,将金属原料,用小砂轮去除表面氧化皮,并采用超声清洗机进行清洗。根据Ti35Al15Nb20V20Mo10高熵合金的原子百分比精确称量Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素;称量的到的Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素原料总质量为73.24g,其中Ti为20.74g,Al为5.01g,V为12.61g,Nb为23.00g,Mo为11.88g。将配好的金属原料分别进行超声清洗。根据金属原料单质熔点由低到高,即Al、Ti、V、Nb、Mo的顺序,依次将金属原料放入真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。

步骤二:关闭真空熔炼炉炉门。将炉腔抽至高真空状态,其真空度不大于2.5×10-3Pa。之后再通入纯度大于99.99wt%的高纯氩气作为保护气体,并使炉腔压强为0.06MPa。在高纯氩气的保护下,将钨电极调整距离金属2mm处进行引弧,引弧成功后,调整钨电极距离金属距离为8~9mm左右。首先先将预先放置在中心铜坩埚的纯Ti锭进行熔炼,从而进一步降低真空电弧熔炼炉腔中的氧含量,熔炼时间为2min。然后,再对Ti35Al15Nb20V20Mo10的原料进行熔炼。熔炼过程中,调整熔炼电流和钨电极,先使所有的块体单质金属熔化,使所有的金属原料熔化为金属熔液,然后保持熔炼电流为450A,熔炼电压在12V左右,熔炼时间为2min。然后降低电流,停止引弧,停止熔炼。等到金属熔液完全凝固冷却,得到母合金纽扣锭。通过机械手将母合金锭翻转,并采用相同的方法进行下一次熔炼,总共进行六次熔炼。其中,第三次到第四次熔炼时,需要开启磁搅拌,使高熵合金母合金锭更加均匀,磁搅拌电流保持在10A左右。

步骤三:待熔炼结束,等到铜模冷却至室温,打开炉门,取出样品,得到Ti35Al15Nb20V20Mo10高熵合金。

对Ti35Al15Nb20V20Mo10进行XRD测试和压缩力学性能测试,其中压缩力学性能测试分别在室温和800℃下进行,如图2(a)所示。实验表明:该合金为单一BCC结构,如图1所示;该合金室温屈服强度为950MPa,其在800℃下屈服强度为550MPa,并且在测试过程中未产生裂纹。利用阿基米德排水法,测得该合金的密度为6.027g/cm3

XRD图谱表明,TiAlNbVMo系低密度高熵合金为单一的BCC结构。

实施例2

本实施例是一种Ti40Al10Nb20V20Mo10系高熵合金,由Ti、Al、V、Nb、Mo等五种元素构成,Ti的相对原子百分比含量为40%,Al的相对原子百分比为10%、V的相对原子百分比为20%、Nb的相对原子百分比为20%、Mo的相对原子百分比约为10%。Ti40Al10Nb20V20Mo10为单相BCC结构,如图1所示。

所述Ti、Al、V、Nb、Mo等金属原料的纯度高于99.99wt%;

所述Ti40Al10Nb20V20Mo10高熵合金的制备方法为:

步骤一:选取Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素,将金属原料,用小砂轮去除表面氧化皮,并采用超声清洗机进行清洗。根据Ti40Al10Nb20V20Mo10高熵合金的原子百分比精确称量Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素;称量的到的Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素原料总质量为73.46g,其中Ti为23.36g,Al为3.29g,V为12.43g,Nb为22.67g,Mo为11.71g。将配好的金属原料分别进行超声清洗。根据金属原料单质熔点由低到高,即Al、Ti、V、Nb、Mo的顺序,依次将金属原料放入真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。

步骤二:关闭真空熔炼炉炉门。将炉腔抽至高真空状态,其真空度不大于2.5×10-3Pa。之后再通入纯度大于99.99wt%的高纯氩气作为保护气体,并使炉腔压强为0.06MPa。在高纯氩气的保护下,将钨电极调整距离金属2mm处进行引弧,引弧成功后,调整钨电极距离金属距离为8~9mm左右。首先先将预先放置在中心铜坩埚的纯Ti锭进行熔炼,从而进一步降低真空电弧熔炼炉腔中的氧含量,熔炼时间为2min。然后,再对Ti40Al10Nb20V20Mo10的原料进行熔炼。熔炼过程中,调整熔炼电流和钨电极,先使所有的块体单质金属熔化,使所有的金属原料熔化为金属熔液,然后保持熔炼电流为450A,熔炼电压在12V左右,熔炼时间为2min。然后降低电流,停止引弧,停止熔炼。等到金属熔液完全凝固冷却,得到母合金纽扣锭。通过机械手将母合金锭翻转,并采用相同的方法进行下一次熔炼,总共进行六次熔炼。其中,第三次到第四次熔炼时,需要开启磁搅拌,使高熵合金母合金锭更加均匀,磁搅拌电流保持在10A左右。

步骤三:待熔炼结束,等到铜模冷却至室温,打开炉门,取出样品,得到Ti40Al10Nb20V20Mo10高熵合金。

对Ti40Al10Nb20V20Mo10进行XRD测试和压缩力学性能测试,其中压缩力学性能测试分别在室温和800℃下进行,如图2(b)所示。实验表明:该合金为单一BCC结构,如图1所示;该合金室温屈服强度为900MPa,其在800℃下屈服强度为500MPa,并且在测试过程中未产生裂纹。利用阿基米德排水法,测得该合金的密度为6.102g/cm3

实施例3

本实施例是一种Ti30Al20Nb20V20Mo10系高熵合金,由Ti、Al、V、Nb、Mo等五种元素构成,Ti的相对原子百分比含量为30%,Al的相对原子百分比为20%、V的相对原子百分比为20%、Nb的相对原子百分比为20%、Mo的相对原子百分比约为10%。Ti30Al20Nb20V20Mo10为单相BCC结构,如图1所示。

所述Ti、Al、V、Nb、Mo等金属原料的纯度高于99.99wt%;

所述Ti30Al20Nb20V20Mo10高熵合金的制备方法为:

步骤一:选取Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素,将金属原料,用小砂轮去除表面氧化皮,并采用超声清洗机进行清洗。根据Ti30Al20Nb20V20Mo10高熵合金的原子百分比精确称量Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素;称量的到的Ti、Al、V、Nb、Mo等五种金属元素原料总质量为73.77g,其中Ti为18.23g,Al为6.85g,V为12.93g,Nb为23.58g,Mo为12.18g。将配好的金属原料分别进行超声清洗。根据金属原料单质熔点由低到高,即Al、Ti、V、Nb、Mo的顺序,依次将金属原料放入真空电弧熔炼炉的铜坩埚之中。

步骤二:关闭真空熔炼炉炉门。将炉腔抽至高真空状态,其真空度不大于2.5×10-3Pa。之后再通入纯度大于99.99wt%的高纯氩气作为保护气体,并使炉腔压强为0.06MPa。在高纯氩气的保护下,将钨电极调整距离金属2mm处进行引弧,引弧成功后,调整钨电极距离金属距离为8~9mm左右。首先先将预先放置在中心铜坩埚的纯Ti锭进行熔炼,从而进一步降低真空电弧熔炼炉腔中的氧含量,熔炼时间为2min。然后,再对Ti30Al20Nb20V20Mo10的原料进行熔炼。熔炼过程中,调整熔炼电流和钨电极,先使所有的块体单质金属熔化,使所有的金属原料熔化为金属熔液,然后保持熔炼电流为450A,熔炼电压在12V左右,熔炼时间为2min。然后降低电流,停止引弧,停止熔炼。等到金属熔液完全凝固冷却,得到母合金纽扣锭。通过机械手将母合金锭翻转,并采用相同的方法进行下一次熔炼,总共进行六次熔炼。其中,第三次到第四次熔炼时,需要开启磁搅拌,使高熵合金母合金锭更加均匀,磁搅拌电流保持在10A左右。

步骤三:待熔炼结束,等到铜模冷却至室温,打开炉门,取出样品,得到Ti30Al20Nb20V20Mo10高熵合金。

对Ti30Al20Nb20V20Mo10进行XRD测试和压缩力学性能测试,其中压缩力学性能测试分别在室温和800℃下进行,如图2(c)所示。实验表明:该合金为单一BCC结构,如图1所示;该合金室温屈服强度为1200MPa,断裂应变为10%,其在800℃下屈服强度为700MPa,断裂应变为25%。利用阿基米德排水法,测得该合金的密度为5.876g/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。

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