一种铸态下强塑匹配的单相BCC难熔高熵合金及其制备方法

本发明涉及一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会的不断发展，各个领域对材料服役环境的要求越来越高，对材料的性能要求越来越高。不同于传统合金以单一元素作为主元的设计方式，高熵合金采用多种元素作为主要元素来进行合金材料设计。自2004年由叶筠蔚教授和cantor教授提出高熵合金概念以来，已经设计出了一大批具有优异性能的高熵合金材料，比如高硬度高熵合金、高强度高熵合金、良好的塑韧性结合的高熵合金等。

2、由难熔元素(ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta和w)所组成的高熵合金即难熔高熵合金(refractory high-entropy alloys,rheas)，这类合金在超高温环境下(超过1400℃)的服役条件下具有天然的优势。难熔高熵合金在超高温环境下仍具有较好的屈服强度。然而，难熔高熵合金却有着室温塑性差等缺点，从而限制了其在工业上的应用。若提高其室温塑性，又会影响其强度。因此，如何兼顾强度与塑性，在保证难熔高熵合金优异塑性的前提下，不断提高其强度，已成为难熔高熵合金领域亟待解决的一个问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有难熔高熵合金无法兼顾强度与塑性的问题，提出一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金及其制备方法。

2、本发明一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，按原子百分比由16.67％～33.33％的ti、16.67％～20％的zr、16.67％～20％的nb、16.67％～20％的hf和3％～16.67％的v元素组成，各组分原子百分比之和为100％。

3、一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金的制备方法，按以下步骤进行：

4、一、按照所述原子百分比称取原材料；

5、二、对原材料和钛块进行预处理，然后将原材料按从下至上为nb、hf、v、zr、ti的顺序加入到熔炼炉的坩埚中，然后在熔炼炉的另一个坩埚中加入50-70g的钛块，再将熔炼炉抽真空后充入氩气进行保护熔炼，先熔炼钛块，再熔炼原材料，冷却后，得到纽扣锭样品；

6、三、将合金锭反复熔炼为7-10次，冷却得到铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金。

7、本发明具有以下增益效果：

8、一、本发明提供一种新型的强塑性匹配的难熔高熵合金。本发明中选择的ti、zr、nb、hf、v元素及其相对含量是因为这五种元素之间可以形成bcc单相难熔高熵合金，结构简单。本发明中v的原子半径为132pm，低于ti、zr、nb、hf的原子半径。因此，v元素的添加能够增加晶格畸变程度，使得合金的固溶强化和细晶强化效果更加显著，以提升合金的综合力学性能。

9、二、本发明首先选用ti含量较高的基体成分ti40zr20nb20hf20，该基体具有优异的压缩应变率，但压缩屈服强度较低。因此本发明通过改变v元素的添加量，发挥v元素的强化效果，当添加16.67at.％的v元素时，可以使合金的室温压缩强度从613mpa提高到1008mpa，并保证50％以上的压缩应变率。

10、三、本发明方法制备的合金在水冷铜坩埚中熔化凝固，成本低廉，工艺简单容易实现，不需要后续的热处理与热变形优化，制备周期短，凝固后所得的组织均匀，且具有单一的固溶体组织。

11、本发明力求在提高强度的同时，保证塑性的适配，提出了一种兼具强度和塑性的tiazrbnbchfdve难熔高熵合金的调控方法。通过改变v元素的添加量，有利于提高力学性能，为继续探索难熔高熵合金体系提出了新的见解。

技术特征：

1.一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于该难熔高熵合金按原子百分比由16.67％～33.33％的ti、16.67％～20％的zr、16.67％～20％的nb、16.67％～20％的hf和3％～16.67％的v元素组成，各组分原子百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于，该合金按原子百分比由38.46％的ti、19.23％的zr、19.23％的nb、19.23％的hf和3.85％的v组成，表达式为ti38.46zr19.23nb19.23hf19.23v3.85。

3.根据权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于，该合金按原子百分比由37.04％ti、18.52％zr、18.52％nb、18.52％hf和7.40％v组成，表达式为ti37.04zr18.52nb18.52hf18.52v7.40。

4.根据权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于，该合金按原子百分比由35.71％ti、17.86％zr、17.86％nb、17.86％hf和10.71％v组成，表达式为ti35.71zr17.86nb17.86hf17.86v10.71。

5.根据权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于，该合金按原子百分比由34.48％ti、17.24％zr、17.24％nb、17.24％hf和13.80％v组成，表示为ti34.48zr17.24nb17.24hf17.24v13.80。

6.根据权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金，其特征在于，该合金按原子百分比由33.32％ti、16.67％zr、16.67％nb、16.67％hf和16.67％v组成，表达式为ti33.32zr16.67nb16.67hf16.67v16.67。

7.如权利要求1所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

8.根据权利要求7所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤二中的预处理为打磨抛光、清洗然后干燥。

9.根据权利要求7所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤二抽真空使炉内真空度为3×10-3pa，之后充入保护气体高纯氩气至0.05mpa。

10.根据权利要求7所述的一种铸态下强塑匹配的单相bcc难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，熔炼时的电流强度为300-600a。

技术总结
一种铸态下强塑匹配的单相BCC难熔高熵合金及其制备方法，本发明涉及一种难熔高熵合金及其制备方法。本发明的目的是为了解决现有铸态难熔高熵合金强塑性不匹配的问题，本发明一种铸态下难熔高熵合金按原子百分比由16.67％～33.33％的Ti、16.67％～20％的Zr、16.67％～20％的Nb、16.67％～20％的Hf和3％～16.67％的V元素组成，制备的难熔高熵合金都具有稳定的单相BCC结构；难熔高熵合金的铸态组织在室温下的压缩屈服强度最高可以达到1008MPa，且压缩应变均在50％以上。本发明应用于难熔高熵合金的制备领域。

技术研发人员：陈瑞润,徐超,杨旭,刘桐,陈德志
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25