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。