一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金及其制备方法和应用

本发明属于高温中熵合金领域，具体涉及一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、中/高熵合金因具有特殊的多主元素混合固溶强化机理，表现出不同于传统材料的热力学特性，在航空航天、核电领域的高温零部件上应用前景广泛。为了减轻构件的重量，轻质高强的中/高熵合金的需求更加迫切。轻质高强中/高熵合金主要引入了cr、ni、co、ti、al，为了减小室温加工脆性，钛的含量多，铝的含量较少，晶体结构以bcc、fcc固溶体为主，以及包含少量析出相复合，例如bcc+laves型tivcrnbal体系(密度＜6g/cm3)，bcc型tivnbzr体系(密度＜6.5g/cm3),fcc型crmnfeconi体系(密度＜8g/cm3)，fcc+l12型nifecotial体系(密度＜7.8g/cm3)等，具有高温高强度和室温韧性。然而，这些合金大都在室温和较高温具有塑性，而在中高温区(600-800℃)某个温度点附近存在韧性-脆性转变的普遍现象，完全不同于传统合金-其塑性随着温度升高而增加，越是高温，合金越具有韧性。

2、已报道的bcc为主型tivnbzr等比中熵合金(journal of alloys and compounds,937(2023)168458)在600℃时出现脆性断裂，而室温和800℃均具有拉伸塑性。fcc为主型ni-30co-13fe-15cr-6al-6ti-0.1b高熵合金在750-800℃温区发生拉伸脆断(scriptamaterialia 194,(2021)113622,materials today physics,24(2022)100653)。600-800℃是高温材料的主要服役温区，在该温区承力时发生脆性不利于材料的高温使用，可能因材料的灾难性失效造成重大损失。而解决这一问题的方法和高性能合金还很缺乏。本发明针对这一关键问题，提供一种抗高温脆性的轻质高强中熵合金。

3、申请号为2023104627374的中国专利公开了一种tivnb系含氧高温中熵合金，包括钛、钒、铌的金属单质以及氧化物，其中，钛、钒、铌和氧四种元素的原子百分比如下：钛:31-34％；钒:31-34％；铌:31-34％；氧:0.01-1.5％。该合金虽然具有低密度、室温压缩强韧性、高温压缩强度，但在800℃会发生拉伸脆断，无法在高温条件下作为高温承力材料使用。

技术实现思路

1、为了解决现有中/高熵合金在中高温区易出现脆性断裂的问题，本发明提供了一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金及其制备方法和应用。所述轻质高温中熵合金具有轻质、高强，并且在较宽温度区间内均保持良好塑性。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其原料包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氮化物中的至少一种，其中，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:31-34％，钒:31-34％,铌:31-34％,0<氮<2％，余量为不可避免的杂质。

4、在一个具体实施方式中，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:32.84-33.2％；钒:32.83-33.2％；铌:32.83-33.1％；氮:0.5-1.5％；优选的，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:32.84；钒:32.83％；铌:32.83％；氮:1.5％。

5、在一个具体实施方式中，所述金属氮化物为氮化铌。

6、在一个具体实施方式中，所述金属单质的纯度超过99％。

7、在一个具体实施方式中，所述轻质高温中熵合金具有以bcc相为主的晶体结构，密度不大于6.4g/cm3,维氏硬度250-400hv，室温压缩屈服强度870-1300mpa,应变大于50％，800℃时压缩屈服强度520-720mpa,应变大于70％；室温拉伸屈服强度880-1300mpa,应变大于6％，600℃拉伸屈服强度520-700mpa，应变大于10％，800℃拉伸屈服强度500-650mpa，应变大于10％。

8、本发明还提供了一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：

9、(1)按照钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比称取钛、钒、铌的金属单质以及氮化铌；

10、(2)将步骤(1)中称取的原料共同放入电弧熔炼炉的铜坩埚中，并清洗腔体；

11、(3)调整电弧熔炼炉的电流使坩埚中的原料都熔化，同时打开磁力搅拌设备，熔炼完成后得到合金铸锭；

12、(4)对步骤(3)得到的合金铸锭重复步骤(3)至少4次进行反复熔炼，冷却后，得到抗高温脆性的轻质高温中熵合金。

13、在一个具体实施方式中，步骤(1)中，所述金属单质的纯度超过99％，所述金属氮化物为氮化铌。

14、在一个具体实施方式中，步骤(2)中所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-2-10-3pa，再充入高纯保护气体使腔体内气压小于腔外气压。

15、保护气体为不参与反应的惰性气体，例如高纯氩气等，但在本发明中不能为氮气。

16、在一个具体实施方式中，步骤(4)中，将步骤(3)重复4次。

17、本发明还提供了上述抗高温脆性的轻质高温中熵合金在室温加工和高温承力领域的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、本发明的抗高温脆性的轻质高温中熵合金具有以bcc相为主的晶体结构，密度小于6.4g/cm3,维氏硬度250-400hv，室温压缩屈服强度870-1300mpa,应变＞50％；800℃时压缩屈服强度520-720mpa,应变＞70％。室温拉伸屈服强度880-1300mpa,应变大于6％；600℃拉伸屈服强度520-700mpa，应变＞10％；800℃拉伸屈服强度500-650mpa，应变＞10％。

技术特征：

1.一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其特征在于，其原料包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氮化物中的至少一种，其中，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:31-34％，钒:31-34％,铌:31-34％，0<氮<2％，余量为不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其特征在于，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:32.84-33.2％；钒:32.83-33.2％；铌:32.83-33.1％；氮:0.5-1.5％；优选的，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:32.84；钒:32.83％；铌:32.83％；氮:1.5％。

3.根据权利要求1所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其特征在于，所述金属氮化物为氮化铌。

4.根据权利要求1所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其特征在于，所述金属单质的纯度超过99％。

5.根据权利要求1所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其特征在于，所述轻质高温中熵合金具有以bcc相为主的晶体结构，密度不大于6.4g/cm3,维氏硬度250-400hv，室温压缩屈服强度870-1300mpa,应变大于50％，800℃时压缩屈服强度520-720mpa,应变大于70％；室温拉伸屈服强度880-1300mpa,应变大于6％，600℃拉伸屈服强度520-700mpa，应变大于10％，800℃拉伸屈服强度500-650mpa，应变大于10％。

6.权利要求1-5任一项所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的抗高温脆性的轻质高温中熵合金的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的抗高温脆性的轻质高温中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述清洗腔体的具体步骤为：抽真空至10-2-10-3pa，再充入高纯保护气体使腔体内气压小于腔外气压。

9.根据权利要求6所述的抗高温脆性的轻质高温中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，将步骤(3)重复4次。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金在室温加工和高温承力领域的应用。

技术总结
本发明提供了一种抗高温脆性的轻质高温中熵合金及其制备方法和应用，属于高温中熵合金领域。该抗高温脆性的轻质高温中熵合金，其原料包括钛、钒、铌的金属单质以及钛、钒、铌的金属氮化物中的至少一种，其中，钛、钒、铌和氮四种元素的原子百分比如下：钛:31‑34％，钒:31‑34％,铌:31‑34％,0<氮<2％，余量为不可避免的杂质。该合金具有以BCC相为主的晶体结构，密度小于6.4g/cm<supgt;3</supgt;,维氏硬度250‑400HV，室温压缩屈服强度870‑1300MPa,应变＞50％，800℃时压缩屈服强度520‑720MPa,应变＞70％；室温拉伸屈服强度880‑1300MPa,应变大于6％，600℃拉伸屈服强度520‑700MPa，应变＞10％，800℃拉伸屈服强度500‑650MPa，应变＞10％。该合金可在室温加工和高温承力领域使用。

技术研发人员：蒋燕,刘议蓉
受保护的技术使用者：攀枝花学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25