一种NbMoTaW系难熔高熵合金的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种高熵合金的热处理方法，尤其涉及一种NbMoTaW系难熔高熵合金的热处理方法，属于合金工艺技术领域。

背景技术

高熵合金是一种打破传统合金设计理念的新型合金，该合金元素组成较多（≥5种），相结构简单，一般为简单单一的固溶体相，性能优异，成为国内外众多学者研究的焦点。难熔高熵合金是指以高熔点元素（Nb、Mo、Ta、W、Ti等）组成的高熵合金。因其优异的高温性能，难熔高熵合金被认为是可以取代高温合金应用在航空航天领域的新型高温结构材料。目前，难熔高熵合金的制备方法有传统的铸造法以及近年来发展的机械合金化、放电等离子烧结等。采用铸造法制备出来的难熔高熵合金晶粒粗大，强度低，内应力大，而采用机械合金化、放电等离子烧结等方法制备出来的难熔高熵合金易出现偏析、孔洞等组织缺陷，从而造成合金硬度低且分布不均匀的现象。综上，目前制备方法合成的高熵合金在组织和性能上或多或少的都存在缺陷，难以满足航空航天等领域对其的需求，因此该问题亟待解决。热处理具有使合金材料产生相的转变而不改变合金化学成分的特点，适当的热处理工艺可以消除材料内部的组织缺陷和应力，改善材料的性能，但不合适的热处理工艺也有可能恶化材料的性能，因此热处理工艺参数的制定极为关键。现有对于NbMoTaW系高熵合金的热处理方法仍处于空白阶段，急需一种适合NbMoTaW系高熵合金的热处理方法，满足相关领域对其的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在高熵合金组织和性能的缺陷，提出一种适合NbMoTaW系难熔高熵合金的热处理方法，获得组织和性能俱佳的NbMoTaW系难熔高熵合金。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种NbMoTaW系难熔高熵合金的热处理方法，包括以下步骤：

第一步、采购高纯（≥99.9wt.%）的Nb、Mo、Ta和W的单质粉末，各元素粉末的初始粒径在200-300目之间。按照等摩尔比称取各元素粉末，充分混合后，采用机械合金化+真空热压烧结的方式制备NbMoTaW系高熵合金，球磨机转速 50-100r/min，球磨时间36-48h；热压烧结温度1800±50℃，升温速度：15-20℃/min，保温时间：60-120min，真空度：≤10Pa;

第二步、将合成的难熔高熵合金切割成10x10x20mm的条状样品，以便进行后续的微观组织和力学性能分析。

第三步、对切割好的样品进行DTA曲线分析，发现其曲线在642℃、930℃附近存在两个吸热峰，因此将热处理温度设置为650-700℃和950-1000℃。

第四步、对样品进行热处理，设计的热处理方法为两段式工艺，第一阶段为预加热处理阶段，升温速度为4-6℃/min，缓慢升至650-700℃后保温30-60min。该步的目的是推动由FCC相和无序BCC相组成的难熔高熵合金发生相变，使无序BCC相转变为有序B2相，让亚稳态的固溶体向稳定的相转变，改善合金内部组织结构，提升合金力学性能。

第二阶段升温速度为10-15℃/min，将温度快速升至950-1000℃，再此温度下保温1-2h，冷却方式采用随炉冷却的方式。该步的目的是提高温度，促进合金中原子的迁移速率，加快FCC相的析出和无序BCC相的转换，并且产生第二相，在固溶强化和第二相强化的混合机制下提升合金的性能。

第五步、冷却完成后对难熔高熵合金再进行时效处理，时效处理的温度为100-200℃，时效时间为24h左右。高熵合金具有迟滞扩散效应，这一步的目的是进一步提升高熵合金的力学性能。

第六步、将采用步骤3和步骤4进行的热处理的难熔高熵合金样品进行研磨抛光，制成金相样品，进行微观组织及力学性能分析，相关结果与预期设想相一致，结果如下所示，这充分证明我们设计的热处理工艺方法是可行的有效的。

目前均为通用的热处理方法，且大部分针对的是Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni 及其衍生体系，几乎没有专门针对难熔高熵合金的热处理方法。本发明以NbMoTaW系高熵合金为基础，设计专用的热处理方法，优化该合金的微观组织，提升其硬度。其有益效果是：获得组织和性能均更加优异的难熔高熵合金，满足其在极端服役条件下的需求，同时也为其它高熵合金优化组织和性能提供一种思路，推动高熵合金的商业化进程。

附图说明

图1本发明制备的NbMoTaW系高熵合金样品示意图。

图2 本发明NbMoTaW系高熵合金热处理工艺曲线图。

图3本发明 NbMoTaW系高熵合金热处理前（1）和热处理后（2）的金相图。

图4 未采用本发明热处理方法制备的NbMoTaW系高熵合金金相图。

具体实施方式

实施例1

一种NbMoTaW系难熔高熵合金的热处理方法，包括以下步骤：

（1）采购高纯（≥99.9wt.%）的Nb、Mo、Ta和W的单质粉末，各元素粉末的初始粒径在200-300目之间。按照等摩尔比称取一定量的各元素粉末，充分混合后，采用机械合金化+真空热压烧结的方式制备NbMoTaW系高熵合金，球磨机转速 50-100r/min，球磨时间36-48h；热压烧结温度1800±50℃，升温速度：15-20℃/min，保温时间：60-120min，真空度：≤10Pa。制备出来的样品如图1所示。（2）将合成的难熔高熵合金切割成10x10x20的条状样品，以便进行后续的微观组织和力学性能分析。

（3）对切割好的样品进行DTA曲线分析，发现其曲线在642℃、930℃附近存在两个吸热峰，因此将热处理温度设置为650-700℃和950-1000℃。

（4）对样品进行热处理，设计的热处理方法为两段式工艺，第一阶段为预加热处理阶段，升温速度为4-6℃/min，缓慢升至650-700℃后保温30-60min。该步的目的是推动由FCC相和无序BCC相组成的难熔高熵合金发生相变，使无序BCC相转变为有序B2相，让亚稳态的固溶体向稳定的相转变，改善合金内部组织结构，提升合金力学性能。

第二阶段升温速度为10-15℃/min，将温度快速升至950-1000℃，再此温度下保温1-2h，冷却方式采用随炉冷却的方式。该步的目的是提高温度，促进合金中原子的迁移速率，加快FCC相的析出和无序BCC相的转换，并且产生第二相，在固溶强化和第二相强化的混合机制下提升合金的性能。整个热处理工艺曲线图如图2所示。

（4）冷却完成后对难熔高熵合金再进行时效处理，时效处理的温度为100-200℃，时效时间为24h左右。高熵合金具有迟滞扩散效应，这一步的目的是进一步提升高熵合金的力学性能。

（5）将采用步骤3和步骤4进行的热处理的难熔高熵合金样品进行研磨抛光，制成金相样品，进行微观组织及力学性能分析，相关结果与预期设想相一致，结果如下所示，这充分证明设计的热处理工艺方法是可行的有效的。

从图3对比分析可知，经过热处理后，NbMoTaW系高熵合金的显微组织发生了明显的变化，其在热处理前是无序BCC相和FCC相两种基体相共存的组织，在经过本发明设计的方法热处理后，合金的组织变成以有序B2相为基体相和FCC析出相组成的结构。FCC相具有低强度高塑性的特性，因此未经热处理前，难熔合金的硬度不高且分布不均匀，如表1所示，普遍在300HV-400HV。

表1 NbMoTaW系高熵合金未热处理前硬度测量值

在经过热处理后，如表2所示，NbMoTaW难熔高熵合金的硬度有了显著提升，其中基体相得硬度值更是超过550HV，提升约30%，且硬度分布较为均匀，满足相关领域的使用要求。

表2 NbMoTaW系高熵合金热处理后硬度测量值

实施例2

本实施例的制备方法与实施例1一致，热处理工艺参数选为：（1）预加热阶段：升温速度为5℃/min，温度为650℃，保温时间为30min；（2）加热阶段：升温速度为15℃/min，温度为950℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷。（3）时效阶段：温度为100℃，时间为24h。热处理后的显微组织和力学性能分析如实施例1所示，表明该工艺参数可选用。

对比例

本对比例与实施例1的不同在于热处理工艺参数选为：（1）预加热阶段：升温速度为10℃/min，温度为800℃，保温时间为30min；（2）加热阶段：升温速度为20℃/min，温度为1300℃，保温时间为30min，冷却方式为空冷。经金相制样和组织观察后，合金显微组织如图4所示，可以清晰看到，采用该热处理工艺后，如图4所示，合金组织的晶粒过于长大，且在枝晶间和沿晶界附近析出大量金属间化合物，使合金的力学性能有所降低，其维氏硬度测量结果如表3所示，该工艺参数不可选用。

表3 NbMoTaW系高熵合金采用对比例工艺热处理后硬度测量值

除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。