本發(fā)明涉及合金材料，尤其涉及一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、多主元多組元合金是一種新興的合金材料，發(fā)展迅速，已成為金屬材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其設(shè)計(jì)理念打破了傳統(tǒng)的以混合焓為基礎(chǔ)的合金設(shè)計(jì)理念，為金屬材料開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

2、多組元合金其固有的高熵效應(yīng)可以抑制金屬間第二相的出現(xiàn)，形成簡(jiǎn)單的固溶體，從而具有許多優(yōu)異的性能和特點(diǎn)。多組元合金中合金元素的種類和含量對(duì)多組元合金的相穩(wěn)定性、成分均勻性和微觀組織都有顯著的影響，從而影響到多組元合金的綜合性能，有望實(shí)現(xiàn)“雞尾酒效應(yīng)”。同時(shí)，由于多組元合金固有的“晶格畸變效應(yīng)”，合金元素的加入會(huì)影響多組元合金的原始晶格。這些影響將改變多組元合金的增韌機(jī)理。因此，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，可使多組元合金具有優(yōu)良的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫氧化、耐腐蝕性能等，可以滿足許多特殊環(huán)境下的需求。例如，航空航天中，材料需要具備高強(qiáng)度、高硬度等特點(diǎn)；?；愤\(yùn)輸行業(yè)有高抗腐蝕性能的需要，作為運(yùn)輸或儲(chǔ)存載體；軌道運(yùn)輸行業(yè)則需要高耐磨性和高剛度材料作為軌道承重。優(yōu)異的力學(xué)性能使多組元合金能在特殊的服役環(huán)境中起到獨(dú)特作用。

3、金屬材料的應(yīng)用趨向于更加輕量化，軍事、工業(yè)、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都迫切地需要性能優(yōu)越的輕質(zhì)合金材料。但傳統(tǒng)的難熔多組元合金多由高熔點(diǎn)金屬元素組成。然而，這些多組元合金具有密度高、熔點(diǎn)高、強(qiáng)度和塑性難以權(quán)衡，熔煉困難的特點(diǎn)。例如monbtaw和monbtavw等具有單相bcc結(jié)構(gòu)的難熔高溫合金，其抗壓縮強(qiáng)度往往較高，在1600℃下壓縮屈服強(qiáng)度分別為405mpa和477mpa，明顯高于inconel718及haynes230等傳統(tǒng)高溫合金，然而，單相的bcc結(jié)構(gòu)使得該類合金的室溫塑性往往較差，難以加工，例如上述兩種合金的室溫塑性分別為2.6%及1.7%，與其他工程合金相比塑性較差。盡管該合金耐高溫性能優(yōu)秀，但其仍具有塑性差、密度高、成分昂貴，制備困難等問(wèn)題。

4、目前現(xiàn)有技術(shù)中的難熔多組元合金仍然存在密度較高，強(qiáng)度和韌性難以調(diào)和，材料成本高且加工難度較大等問(wèn)題，無(wú)法廣泛推廣使用；因此，針對(duì)現(xiàn)有難熔多組元合金性能以及熔煉方式方面存在的不足，開發(fā)一種強(qiáng)度、塑性、硬度和成本等多方面表現(xiàn)優(yōu)越的多組元合金及其制造方式顯得十分迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供高強(qiáng)韌的難熔多組元合金及其制備方法。

2、一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，包括以下步驟：

3、（1）多組元合金包括以下組分：ti25(zr，nb)75- xta x；按原子百分比稱取純度超過(guò)99.95%的ti顆粒、zr顆粒、nb顆粒、ta顆粒；

4、（2）以ti/zr球?yàn)槲鮿?，將原料顆粒分別配制成tizr和nbta中間合金，按熔點(diǎn)由低到高的順序依次裝入真空電弧熔煉爐；

5、（3）充入惰性氣體氬氣洗氣，調(diào)節(jié)真空電弧熔煉爐的真空度；

6、（4）調(diào)控熔煉電流至40a進(jìn)行引弧，調(diào)控熔煉電流，在氬氣保護(hù)下將兩種中間合金分別進(jìn)行至少6次重熔以保證組織均勻，每次重熔須上下翻轉(zhuǎn)鑄錠；翻轉(zhuǎn)重熔過(guò)程中電流須由小到大逐漸遞增，時(shí)間為3-5分鐘，直至完全處于熔融狀態(tài)，期間須時(shí)刻關(guān)注鑄錠熔化狀態(tài)以免炸料，隨后可加快提升電流至流動(dòng)的熔融液滴態(tài)；

7、（5）在步驟（3）中所提及的爐腔內(nèi)環(huán)境下，按照步驟（4）中的操作規(guī)程，將兩種中間合金按熔點(diǎn)由低到高的順序依次裝入真空電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉使其熔合，重熔8-10次后真空下冷卻，即得所述多組元合金。

8、進(jìn)一步地，步驟（3）所述調(diào)節(jié)真空電弧熔煉爐的真空度至10-4量級(jí)，充氬氣為保護(hù)氣體。

9、進(jìn)一步地，步驟（4）所述調(diào)控熔煉電流：將電流由低到高提升，將顆粒原料熔化防止出現(xiàn)飛濺，電流大小為80-120a，應(yīng)以原料熔融情況為準(zhǔn)，熔融為液滴態(tài)且無(wú)飛濺后開始加大電流，至280-320a，以能觀察到流動(dòng)的熔融態(tài)液滴為準(zhǔn)（tizr中間合金由于熔點(diǎn)較低，可略降電流參數(shù)）。

10、進(jìn)一步地，步驟（5）兩種中間合金熔合后：兩種中間合金熔合后，每次重熔過(guò)程均需上下翻轉(zhuǎn)，電流須由小到大逐漸遞增，時(shí)間為3-5分鐘，直至完全處于熔融狀態(tài)，隨后可加快提升電流至流動(dòng)的熔融液滴態(tài)，期間須時(shí)刻關(guān)注鑄錠熔化狀態(tài)是否平穩(wěn)，以免發(fā)生炸料現(xiàn)象。

11、進(jìn)一步地，步驟（4）、（5）的重熔時(shí)間：兩種中間合金熔合每次重熔均需將樣品保持流動(dòng)的熔融液滴態(tài)2-3分鐘以促進(jìn)成分均勻。

12、一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，采用上述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法制得，所述多組元合金的化學(xué)成分為ti25(zr，nb)75- xta x，其中x取值范圍為6~8，所述高強(qiáng)韌的難熔多組元合金由ti、zr、nb、ta四種高熔點(diǎn)元素組成，所述四種元素的均為原子百分比，所述元素之和為100。

13、進(jìn)一步地，按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述 x為6，ti25(zr，nb)69ta6，所述元素之和為100。

14、進(jìn)一步地，所述難熔多組元合金的熔點(diǎn)為2092℃，具有單一bcc晶體結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度為1220mpa，極限抗壓強(qiáng)度為1500mpa，壓縮應(yīng)變率大于50%，維氏硬度363hv。

15、進(jìn)一步地，按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述 x為8，ti25(zr，nb)67ta8，所述元素之和為100。

16、進(jìn)一步地，所述難熔多組元合金的熔點(diǎn)為2109℃，具有單一bcc晶體結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度在1130mpa，極限抗壓強(qiáng)度為1340mpa，壓縮應(yīng)變率大于50%，維氏硬度338hv。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：（1）相對(duì)現(xiàn)有難熔多組元合金體系，本發(fā)明采用相對(duì)輕質(zhì)的tizr元素和熔點(diǎn)較高的nbta元素，通過(guò)成分調(diào)控，使其保持較為輕質(zhì)，且具備高強(qiáng)韌性的難熔合金，其性能超過(guò)了絕大部分難熔多組元合金的力學(xué)性能（見表1中的對(duì)比數(shù)據(jù)）；較高的tizrnb元素和一定的ta元素降低其成本要求，且保證了其優(yōu)秀性能，具有廣闊的應(yīng)用前景；（2）相對(duì)現(xiàn)有熔煉技術(shù)，本發(fā)明采用真空電弧熔煉，在高真空環(huán)境中進(jìn)行制備，適用于高純材料的制備，且該設(shè)備應(yīng)用較為普遍，是當(dāng)代先進(jìn)材料制備手段之一；本發(fā)明選用了合適的工藝參數(shù)，應(yīng)用制備了本項(xiàng)高強(qiáng)韌難熔多組元合金；（3）本發(fā)明對(duì)比ti-zr-nb-ta體系難熔多組元合金具有更高的強(qiáng)度硬度，在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中具有更廣闊前景。

技術(shù)特征：

1.一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，其特征在于，步驟（3）所述調(diào)節(jié)真空電弧熔煉爐的真空度至10-4量級(jí)，充氬氣為保護(hù)氣體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，其特征在于，步驟（4）所述調(diào)控熔煉電流：將電流由低到高提升將顆粒原料熔化防止出現(xiàn)飛濺，電流大小為80-120a，應(yīng)以原料熔融情況為準(zhǔn)；熔融為液滴態(tài)且無(wú)飛濺后開始加大電流，至280-320a，以能觀察到流動(dòng)的熔融態(tài)液滴為準(zhǔn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，其特征在于，步驟（5）兩種中間合金熔合：兩種中間合金熔合后，每次重熔過(guò)程均需上下翻轉(zhuǎn)，電流須由小到大逐漸遞增，時(shí)間為3-5分鐘，直至完全處于熔融狀態(tài)，隨后可加快提升電流至流動(dòng)的熔融液滴態(tài)，期間須時(shí)刻關(guān)注鑄錠熔化狀態(tài)是否平穩(wěn)，以免發(fā)生炸料現(xiàn)象。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法，其特征在于，步驟（4）、（5）的重熔時(shí)間：兩種中間合金熔合每次重熔均需將樣品保持流動(dòng)的熔融液滴態(tài)2-3分鐘以促進(jìn)成分均勻。

6.一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金的制備方法制得，其特征在于，所述多組元合金的化學(xué)成分為ti25(zr，nb)75-xtax，其中x取值范圍為6~8，高強(qiáng)韌的難熔多組元合金由ti、zr、nb、ta四種高熔點(diǎn)元素組成，所述四種元素的均為原子百分比，所述元素之和為100。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，其特征在于，按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述x為6，ti25(zr，nb)69ta6，所述元素之和為100。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，其特征在于，所述難熔多組元合金的熔點(diǎn)為2092℃，具有單一bcc晶體結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度為1220mpa，極限抗壓強(qiáng)度為1500mpa，壓縮應(yīng)變率大于50%，維氏硬度363hv。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，其特征在于，按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述x為8，ti25(zr，nb)67ta8，所述元素之和為100。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高強(qiáng)韌的難熔多組元合金，其特征在于，所述難熔多組元合金的熔點(diǎn)為2109℃，具有單一bcc晶體結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度為1130mpa，極限抗壓強(qiáng)度為1340mpa，壓縮應(yīng)變率大于50%，維氏硬度338hv。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種高強(qiáng)韌的難熔多組元合金及其制備方法，涉及合金材料技術(shù)領(lǐng)域，多組元合金由Ti、Zr、Nb、Ta四種難熔金屬作為原料制備得到。制備方法為：選用純度大于99.95%的高純?cè)线M(jìn)行成分配制；分別熔煉TiZr和NbTa兩種中間合金；將兩種中間合金按照熔點(diǎn)順序和成分配比再次熔煉，制備目標(biāo)合金。通過(guò)調(diào)控ZrNb和Ta元素含量，實(shí)現(xiàn)Ti?Zr?Nb?Ta系合金綜合力學(xué)性能的提升，得到了一種兼具高熔點(diǎn)、高強(qiáng)韌的Ti?Zr?Nb?Ta多組元合金。本發(fā)明中Ti<subgt;25</subgt;(Zr，Nb)<subgt;75?</subgt;<subgt;x</subgt;Ta<subgt;x</subgt;（以原子百分比計(jì)，x=6~8）屈服強(qiáng)度最高可達(dá)1220MPa，極限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)1500MPa，抗壓塑性＞50%，晶粒尺寸為20?60μm。相對(duì)于等摩爾TiZrNbTa合金以及其他難熔高熵合金，具有較低的密度，為7.26g/cm<supgt;3</supgt;，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單，鑄態(tài)的綜合表現(xiàn)優(yōu)秀。

技術(shù)研發(fā)人員：張宴會(huì),董利勝,周云凱,王利民,劉日平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26