一种难熔Al-Cr-Ti-V-Nb轻质高熵合金及其制备方法

一种难熔al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于合金技术领域，具体涉及一种难熔al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.高熵合金是2004年由叶均蔚教授等提出的一种新型合金。即由五种或五种以上元素组成，每种元素的原子百分比在5％～35％之间的合金。这种新的合金理念打破合金性能提升的瓶颈。并表现出了优异的综合性能，如高强度、高硬度、良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能等。可以应用于高速切削刀具、涡轮叶片、耐磨涂层等方面。
3.但是目前传统高温合金如ni基合金等其使用温度已经到达了一个瓶颈，因此人们在高熵合金的启发下。进一步对难熔高熵合金进行了研究，然而目前制备出的难熔高熵合金的密度都普遍较大。无法进一步满足一些需要轻质材料的航空航天、能源交通领域。因此人们开始对难熔高熵合金进行轻量化设计，便就出现了低密度难熔高熵合金。在拥有较好高温性能同时也具备较低的密度，以更好满足高温材料的要求。有望应用于航空航天等领域。


技术实现要素：

4.为进一步降低难熔高熵合金的密度，提高比强度和比硬度，本发明提供了一种难熔al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金及其制备方法。所述al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金表现出了更高的硬度和比硬度。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种难熔的al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
7.步骤1：按原子百分比将组分中al、cr、ti、v、nb进行配料，al 22％～25％、cr 22％～25％、ti 22％～25％、v 22％～25％、nb 0～12％；各成分配比误差在
±
0.3％范围内；
8.步骤2：将配好的原料按照熔点高低依次放入氧化铝坩埚之中，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层；
9.步骤3：将钛锭放入非自耗真空电弧熔炼炉中，在氩气气氛保护下先熔化钛锭，以除去炉膛内的氧气；之后再将步骤2中的坩埚及原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，抽真空，在氩气气氛下进行熔炼，熔炼过程中需开启电磁搅拌，熔炼完成后得到纽扣状合金铸锭；
10.步骤4：步骤3获得的合金铸锭按照步骤3所述的方式进行多次反复的熔炼，冷却之后得到高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金。
11.进一步地，组分al、cr、ti、v、nb的原子百分比为：al 24％～25％、cr 24％～25％、ti 24％～25％、v 24％～25％、nb 2％～5％。
12.进一步地，配料前需清除原料表面的氧化皮及清洗，原料的纯度≥99.9wt％。
13.进一步地，步骤3中熔炼时抽真空至5
×
10-3
pa，然后充入氩气的纯度为99.99％，压强为0.06mpa，熔炼电流约为300～400a。
14.进一步地，步骤4中需至少反复熔炼5次以上。
15.进一步地，还包括步骤5：将步骤4所得的所述难熔al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金箱式电阻炉在1000℃下均匀化退火10h。
16.所述制备方法制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金，其特征在于，包括以下按原子百分比的组分：al 22％～25％，cr 22％～25％，ti 22％～25％，v 22％～25％，nb 0～12％。
17.进一步地，所述合金的结构为单一bcc相，硬度在540hv以上。
18.本发明的所述的硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金，所用的合金成分ti、cr、v、nb等具有较高的硬度，表现出单一的bcc相，成分均匀，并存在着较大的晶格畸变。从而使得al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金表现出了高的硬度。随着nb含量的增加，合金硬度有所降低。主要是因为nb的原子半径与al、ti、v较为接近，nb含量增加会导致晶格畸变减小，从而降低了固溶强化作用使得合金硬度降低。但合金整体表现出单一的bcc相，且成分均匀，没有明显的析出相产生；表现出了高于传统ti64合金的硬度和比硬度。
19.经过在1000℃均匀化处理后，在晶界处析出了富nb相，起到了一定的析出强化的作用，合金的硬度有所提高。
附图说明
20.图1为本发明实施例1、实施例2、实施例3所制备合金的xrd图谱。
21.图2为实施例1制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金的微观组织形貌。
22.图3为实施例2制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金的微观组织形貌。
23.图4分别为实施例3制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金的微观组织形貌。
24.图5为实施例1制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金经1000℃均匀化退火之后微观组织形貌。
25.图6为实施例2制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金经1000℃均匀化退火之后微观组织形貌。
26.图7为实施例3制备的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金经1000℃均匀化退火之后微观组织形貌。
27.图8为实施例1、实施例2、实施例3所制备的合金在1000℃均匀化退火后的硬度变化图。
具体实施方式
28.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
29.实施例1
30.本实施例中的高硬度al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下al 24％、cr 24％、ti 24％、v 23％、nb 5％，表示为al
24
cr
24
ti
24v23
nb5轻质高熵合金。
31.以上al
24
cr
24
ti
24v23
nb5轻质高熵合金制备方法如下：
32.(1)按照配比准备称量所述金属原材料al、cr、ti、v、nb以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180w及频率为40khz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。
33.(2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸附保护气氛中残留的氧气，以避免高熵合金熔炼时的氧化。再按照配比放入上述金属原材料，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5
×
10-3
pa后，充氩气至0.06mpa。在氩气保护下，于电流380a进行电弧熔炼2min，熔炼过程中需开启电磁搅拌。所述电弧熔炼过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。
34.(3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度al
24
cr
24
ti
24v23
nb5轻质高熵合金。
35.实施例2
36.本实施例中高硬度的al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下al 23％、cr 23％、ti 23％、v 22％、nb 9％，表示为al
23
cr
23
ti
23v22
nb9轻质高熵合金。
37.以上al
23
cr
23
ti
23v22
nb9轻质高熵合金制备方法如下：
38.(1)按照配比准备所述金属原材料al、cr、ti、v、nb以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180w及频率为40khz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。
39.(2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸附保护气氛中残留的氧气，以避免高熵合金熔炼时的氧化。再按照配比放入上述金属原材，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5
×
10-3
pa后，充氩气至0.06mpa，在氩气保护下于电流380a进行电弧熔炼2min，所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。
40.(3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度al
23
cr
23
ti
22v22
nb9轻质高熵合金。
41.实施例3
42.本实施例中高硬度的al-cr-ti-v-nb轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下al 22％、cr 22％、ti 22％、v 22％、nb 12％，表示为al
22
cr
22
ti
22v22
nb
12
轻质高熵合金。
43.以上al
22
cr
22
ti
22v22
nb
12
轻质高熵合金制备方法如下：
44.(1)按照配比准备所述金属原材料al、cr、ti、v、nb以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180w及频率为40khz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。
45.(2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸
附保护气氛中残留的氧气，以避免高熵合金熔炼时的氧化。再按照配比放入上述金属原材料熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5
×
10-3
pa后，然后充氩气至0.06mpa，在氩气保护下于电流380a进行电弧熔炼2min，所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。
46.(3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度al
22
cr
22
ti
22v22
nb
12
轻质高熵合金。
47.对实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金采用rigaku x射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40kv和190ma，x射线源为cukα(λ＝0.1542nm)射线，扫描角度2θ范围为10
°
～90
°
。本实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金xrd图谱如图1所示，由图1可知，实施例1的al
24
cr
24
ti
24v24
nb4、实施例2的al
23
cr
23
ti
23v22
nb9和实施例3的al
22
cr
22
ti
22v22
nb
12
轻质高熵合金均表现出单一的bcc相的结构。
48.对实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金使用fei novanano450场发射扫描电子显微镜对其表面形貌进行分析。放大倍率范围40～1000000倍；加速电压50v～30kv；电子束流5pa～100na。结果如图2、图3和图4所示。从这三幅图中可以看出实施例1表现出了狭长的柱状晶组织，晶粒较为粗大。实施例2和实施例3则表现为柱状晶的组织，但晶粒尺寸有所减小。
49.硬度测试方法：利用hvs-1000型数显显微硬度计，在100g力的载荷下，用136
°
维氏金刚石棱锥在抛光后的横截面上测量15s的维氏显微硬度，每个试样上测量5个点，最后将数据取平均值。
50.表1为实施例1、实施例2、实施例3以及ti64合金的密度、硬度以及比硬度的值
51.表1
[0052][0053]
对实施例1、实施例2和实施例3所制备的合金，分别使用箱式电阻炉在1000℃下均匀化退火10h，之后对样品进行打磨、抛光、腐蚀。并使用金相显微镜对其表面形貌进行分析，结果如图5、图6、图7所示。从这三幅图中可以看出在1000℃下均匀化退火10h后，晶粒尺寸均有所减小。对均匀化退火后的实施例1、实施例2和实施例3使用维氏显微硬度计进行硬度测试，其结果如图8所示，合金的硬度均有提升，分别达到了576.5hv、602.55hv、631hv。
[0054]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。