高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有高強度低彈性模量的TiZrNbHf高熵合金及制備方法，高熵合金的成分為TiaZrbNbcHfd，20≤a≤35,20≤b≤35,20≤c≤35,20≤d≤35。本發(fā)明合金的制備方法包括：將冶金原料Ti、Zr、Nb和Hf金屬去氧化皮，按摩爾比精確稱量配比，供熔煉制備合金使用；使用非自耗真空電弧爐或者冷坩堝懸浮爐熔煉合金，在水冷銅坩堝內(nèi)熔煉合金，使用真空吸鑄或者金屬模設(shè)備，將合金吸鑄或澆鑄到銅模中，獲得高熵合金棒或板狀材料。本發(fā)明的高熵合金具有高強度、低楊氏模量，在高溫條件下具有優(yōu)異的組織性能穩(wěn)定性，合金組成元素為對人體無毒或低毒性元素，因此，該高熵合金在生物醫(yī)用和高溫部件上具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料及其制備領(lǐng)域，提供了一種具有高強度低彈性模量的TiZrNbHf高熵合金及其制備方法，該高熵合金在生物醫(yī)用和高溫部件上具有很好的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]高熵合金是指合金中包含四種或者四種以上主要元素，每種元素都占較大原子分?jǐn)?shù)但不超過35%。因為沒有一種合金元素的原子分?jǐn)?shù)超過50%，就可以充分發(fā)揮多組元高混亂度效應(yīng)。在成分設(shè)計時，每種組元不一定要等原子比，這樣就可以進(jìn)一步增大高熵合金設(shè)計的自由度，多元合金中各種元素可以類型相同，也可以類型不同，還可以添加微量元素來優(yōu)化合金的組織與性能。
[0003]高熵合金完全不同于傳統(tǒng)金屬材料，它所帶來的不僅是全新的合金設(shè)計理念，而且產(chǎn)生出了超乎異常的許多新現(xiàn)象。這些新現(xiàn)象主要包括:(1)形成了單一固溶體組織。研究結(jié)果表明，許多高熵合金凝固后并沒有形成數(shù)目眾多的金屬間化合物，而是形成了以簡單的BCC/FCC固溶體為主的組織結(jié)構(gòu)，所生成的相數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吉布斯相律預(yù)測值。高熵合金的這種特殊的結(jié)構(gòu)克服了金屬間化合物和非晶合金所固有的脆性，也賦予了其優(yōu)良的綜合性能。已有的研究報告發(fā)現(xiàn)，高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金無法比擬的優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻率等。使之在耐熱和耐磨涂層，模具內(nèi)襯，磁性，硬質(zhì)合金和高溫合金等方面均有潛在或現(xiàn)實的用途。(2)高熵合金的另一個特點是具有緩慢擴散效應(yīng)，可以有效的做擴散阻擋層。這在聚變堆中可以有效地避免燃料駐留而導(dǎo)致脆化。高熵合金可以彌補當(dāng)前非晶合金的室溫低塑性和無法高溫使用的缺點。除此之外，高熵合金在集成電路的硅銅擴散阻擋層和四模式激光陀螺儀等方面的應(yīng)用也在研究之中。
[0004]目前已報道的典型高熵合金成分有:以CoCrFeNiCu和FeCoCrNiMn為代表的面心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；以CoCrFeNiAUAlTiCrFeCoNi和AlCrCuFeMnNi為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；高熔點的NbMoTaW和VNbMoTaW高熵合金；具有無序結(jié)構(gòu)的高熵非晶合金 Zn20Ca2ciSr2ciYb2ci(Lia55Mga45)2c^PdPtCuNiP 和 TiZrCuNiBe 高熵非晶合金等。其中，研究最為廣泛的FeCoCrNiMn高熵合金具有高達(dá)60%的拉伸塑性，但是強度僅有200~500MPa，而其他體心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金和高熔點高熵合金并沒有拉伸性能的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于開發(fā)出具有具有簡單的體心立方結(jié)構(gòu)的高強度低彈性模量的TiZrNbHf高熵合金，提高高熵合金的抗拉強度和延展性能，降低彈性模量。
[0006]本發(fā)明的高熵合金體系為TiZrNbHf，所采用的組元元素均具有高熔點，且在高溫下均為體心立方結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明的制備工藝可以獲得具有簡單體心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金棒材和板材。該高熵合金材料的成分(原子百分比)范圍為，20-35%Ti，20-35%Zr，20_35%Nb，20-35%%Hfo[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括:1、采用純度99.9%以上的冶金原料T1、Zr、Nb和Hf金屬，按照摩爾比進(jìn)行精確稱量配比，供熔料制備合金使用；2、使用砂紙和砂輪機去除原料金屬T1、Zr、Nb和Hf的表面氧化皮，并使用工業(yè)乙醇超聲波震蕩清洗原料金屬；3、使用真空非自耗鎢電極電弧爐熔煉合金，對樣品室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5 X IO-3Pa后，充入工業(yè)氬氣直到爐內(nèi)壓力達(dá)到半個大氣壓；4、熔煉過程中為了使原料更好地混合均勻，每次熔煉合金熔化后，電弧保持時間在30-60秒鐘，待合金塊冷卻后將其翻轉(zhuǎn)，如此重復(fù)4次以上；
5、待母合金充分熔煉均勻后，使用真空吸鑄設(shè)備，將合金吸鑄進(jìn)入水冷銅模中，獲得高熵合金棒。
[0008]本發(fā)明的高熵合金具有高強度、低楊氏模量，該合金的拉伸強度超過700MPa，延伸率超過8%,彈性模量小于IOOGPa,具有優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。合金組成元素為對人體無毒或低毒性元素，因此，該高熵合金在生物醫(yī)用和高溫部件上具有很好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1 例示了 TiZrNbHf 和 Ti3tlZr3ciNb2ciHf2ci 高熵合金的 XRD 圖譜。
[0010]圖2例示了 TiZrNbHf高熵合金的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。
[0011]圖3例示了 TiZrNbHf和Ti3tlZr3ciNb2ciHf2ci高熵合金拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。
[0012]圖4例示了鑄態(tài)TiZrNbHf高熵合金拉伸斷裂后的側(cè)面和端面形貌。(a)側(cè)面圖，(b)端面圖，(c)側(cè)面放大圖，(d)端面放大圖，顯示端面存在脈絡(luò)狀花樣。
[0013]圖5例示了 TiZrNbHf高熵合金在1300°C等溫退火6小時后隨爐冷的XRD圖譜。
[0014]圖6例示了 TiZrNbHf高熵合金退火后的拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。
【具體實施方式】
[0015]1、高熵合金的制備，制備過程如下:
[0016]I)原料準(zhǔn)備:本發(fā)明采用的合金冶煉原料為高純(≥99.9%) T1、Zr、Nb和Hf元素，將原料用砂輪等手段去除氧化皮，按照摩爾比例進(jìn)行精確的稱量配比，在酒精中用超聲波震蕩清洗干凈，供熔煉合金使用，合金成分見表1。
[0017]表1TiZrNbHf高熵合金(HEAs)的名義成分(at.%)
【權(quán)利要求】
1.一種高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金，其特征在于成分(原子百分比)表達(dá)式為 TiaZrbNbcHfd, 20 ≤ a ≤ 35，20 ≤ b ≤ 35，20 ≤ c ≤ 35，20 ≤ d ≤ 35。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金，其特征在于成分(原子百分比)表達(dá)式為TiaZrbNbeHfd, a=b=c=d=25。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金，其特征在于成分(原子百分比)表達(dá)式為 TiaZrbNbeHfd, a=b=30, c=d=20。
4.一種制備權(quán)利要求1或2或3中任一所述的一種高強度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金的方法，其特征在于包括以下步驟:1)、采用純度99.9%以上的冶金原料T1、Zr、Nb和Hf金屬，按照摩爾比進(jìn)行精確稱量配比，供熔料制備合金使用； 2)、使用砂紙和砂輪機去除原料金屬T1、Zr、Nb和Hf的表面氧化皮，并使用工業(yè)乙醇超聲波震蕩清洗原料金屬； 3)、使用真空非自耗鎢電極電弧爐熔煉合金，對樣品室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5XKT3Pa后，充入工業(yè)氬氣直到爐內(nèi)壓力達(dá)到半個大氣壓； 4)、熔煉過程中為了使原料更好地混合均勻，每次熔煉合金熔化后，電弧保持時間在30-60秒鐘，待合金塊冷卻后將其翻轉(zhuǎn)，如此重復(fù)4次以上； 5)、待母合金充分熔煉均勻后，使用真空吸鑄設(shè)備，將合金吸鑄進(jìn)入水冷銅模中，獲得高熵合金棒。
【文檔編號】C22C1/02GK103602874SQ201310593871
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】惠希東, 吳一棟, 宋京國, 常麗, 王坦, 斯佳佳, 王樹申 申請人:北京科技大學(xué)