具备中温相稳定性的难熔多主元合金、其制备方法及用途

技术领域

本发明涉及合金技术，尤其涉及一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金、其制备方法及用途。

背景技术

在过去的二十年里，高熵合金因其独特的设计理念受到了广泛的关注，其中难熔高熵合金因其优异的高温力学性能也得到了快速发展；然而，目前开发出的难熔高熵合金体系虽然具备较高的强度，但普遍存在塑性较低的问题，仅有HfNbTaTiZr难熔高熵合金及其体系内的三元或四元合金表现出一定的拉伸塑性，意味着HfNbTaTiZr体系作为最有前途的难熔高熵合金，有望作为高温结构部件应用于航空航天等领域。铸态HfNbTaTiZr难熔高熵合金在～1000℃以上的温度下退火后，由于吉布斯自由能表达式中的构型熵贡献很大，可以作为体心立方(BCC)固溶体保持稳定。然而，已有研究表明，TiZrHfNbTa在中温(600～1000℃)下表现出较差的相稳定性，一般沿晶界析出二次BCC相或HCP相，即使改变各元素含量同样不能在中温下保持单相BCC结构，作为有望取代传统高温合金的候选材料，在工作温度下保持不变的相结构是必不可少的。否则，这种相分解无疑会在恶劣的热环境中增加脆性的风险。因此，如何设计出具有中温相稳定性的难熔高熵合金仍然面临巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前难熔高熵合金较差的中温相稳定性问题，提出一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金，该合金在500～700℃下保温150～250h仍为单相BCC结构，且具有良好的拉伸性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金，其通式为Ti

进一步地，所述通式Ti

进一步地，所述具备中温相稳定性的难熔多主元合金在500～700℃下保温150～250h仍为单相BCC结构。所述具备中温相稳定性的难熔多主元合金在600℃下保温200h仍为单相BCC结构。

本发明的另一个目的还公开了一种具备中温相稳定性难熔多主元合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、去除金属单质原料Ti、Hf、Nb与Ta表面氧化皮和杂质，之后进行超声波清洗，并置于干燥箱烘干；

步骤二、按照上述通式中摩尔百分比称取金属单质原料；

步骤三、将金属单质原料Ti、Hf、Nb与Ta放入真空电弧熔炼炉中，将电弧炉真空度抽到3×10

进一步地，所述金属单质原料Ti、Hf、Nb、和Ta纯度均在99.9wt％以上。

进一步地，步骤一用SiC砂纸对金属单质原料Ti、Hf、Nb与Ta进行打磨，去除表面氧化皮和杂质。

进一步地，步骤一超声清洗时，金属单质原料清洗3～5遍，每遍清洗5～8min。

进一步地，步骤三放置金属单质原料时，将低熔点的Ti与本征塑性的Ta置于坩埚底部，将高熔点的Hf与Nb置于顶部。

进一步地，步骤三合金熔炼之前，先熔炼2～5遍Ti锭，每遍熔炼60～90s，以尽可能地除去真空电弧熔炼炉腔室内多余的氧气。

进一步地，步骤三合金熔炼时，电流控制在400～500A，反复熔炼6～8次，每次熔炼电弧应持续2～3min，以确保合金充分熔化。

进一步地，步骤三合金熔炼时，辅以电磁搅拌，电流频率为5～7Hz。

进一步地，将步骤三制备得到的难熔多主元合金纽扣锭进行热处理，能获得更佳的屈服强度。

进一步地，所述热处理为固溶与退火双从工艺。

进一步地，所述固溶与退火双从工艺包括以下步骤：固溶温度为1150～1250℃，保温时间为2～3h，退火温度为500～700℃，退火时间为150～250h，之后水淬。

进一步地，所选热处理采用箱式热处理炉。

本发明的另一个目的还公开了一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金在工程结构领域的用途。

进一步地，具备中温相稳定性的难熔多主元合金在航空航天高温结构件领域的用途。

本发明具备中温相稳定性的难熔多主元合金、其制备方法及用途，与现有技术相比较具有以下优点：

1)、本发明选取高熔点的BCC稳定元素Nb、Ta，结合本征脆性元素Hf与低密度高熔点的元素Ti为主元，通过调节各元素含量获得了一系列具备中温相稳定性难熔多主元合金；

2)、本发明具备中温相稳定性难熔多主元合金不仅在中温温度区间(600～1000℃)下具有良好的相稳定性，而且展现出了优异的力学性能，合金经热处理之后，屈服强度由730～830MPa提升到840～950MPa，而断裂延伸率仍然保持着较高的水平～10％，因此在工程结构领域具有潜在的应用前景；

3)、本发明具备中温相稳定性难熔多主元合金，不仅具有优异的室温力学性能(屈服强度为730～830MPa，断后伸长率超过20％)，高熔点元素Ti、Nb、Hf与Ta可使合金具有良好高温力学性能，可作为高温结构件的候选材料。

综上，本发明所述的难熔多主元合金具有良好的相稳定性，在600℃下保温200h其晶体结构不变，仍然为单相BCC结构；本发明所述的难熔多主元合金还展现出了优异的力学性能，合金经热处理之后，屈服强度由830MPa提升到950MPa，而断裂延伸率仍然保持着较高的水平～10％，有望实现难熔高熵合金的工程化应用。

附图说明

图1为实施例1的Ti

图2为实施例1的Ti

图3为实施例1的Ti

图4为实施例1的Ti

图5为实施例2的Ti

图6为实施例2的Ti

图7为实施例2的Ti

图8为实施例2的Ti

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例提供一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金，其化学式为Ti

步骤一、选取高熔点的BCC稳定元素Nb、Ta，结合本征脆性元素Hf与低密度高熔点的元素Ti为主元；所选原料纯度在99.9wt.％以上；选取的金属单质Ti、Hf、Nb与Ta，用不同型号的SiC砂纸对其表面进行打磨，以去除原料表面的氧化皮与污渍，然后放入不同的容器，加入酒精进行超声清洗，之后放入干燥箱5h，进行烘干。

步骤二、将设计的合金成分进行摩尔比向质量比换算，以称取原料总质量为50g为基础，金属原料Ti、Hf、Nb与Ta的称取质量分别为6.300g、19.571g、12.225g和11.904g，然后使用电子天平进行称取，分别放置于试样袋中。

步骤三、将步骤二配好的原料放入真空电弧炉的铜坩埚里，将低熔点的Ti与本征塑性的Ta置于坩埚底部，将高熔点的Hf与Nb置于顶部；关闭仓门，抽真空至4.5×10

步骤四、将步骤三得到的难熔多主元合金在1200℃下固溶3h，随后在600℃下保温200h，热处理结束后，取出试样，水淬，整个热处理过程都选用箱式热处理炉。

对本实施例1制备得到的具备中温相稳定性难熔多主元合金进行晶体结构微观组织表征及力学性能测试；对实施例1进行电子探针显微分析(EPMA)，图1与图2分别为实施例1Ti

实施例2

本实施例提供一种具备中温相稳定性的难熔多主元合金，其化学式为Ti

图5与图6分别为实施例2Ti

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。