[發(fā)明專利]高強(qiáng)度低彈性模量TiZrNbHf高熵合金及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310593871.4
• 申請(qǐng)日: 2013-11-21
• 公開（公告）號(hào): CN103602874A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 惠希東;吳一棟;宋京國(guó);常麗;王坦;斯佳佳;王樹申
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C30/00
• 分類號(hào): C22C30/00;C22C1/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術(shù)領(lǐng)域

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(qiáng)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)

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?yàn)闆]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(jì)時(shí)，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(jì)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。

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(jì)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(jiǎn)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(cè)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(bào)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(qiáng)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(shí)的用途。(2)高熵合金的另一個(gè)特點(diǎn)是具有緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，可以有效的做擴(kuò)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(bǔ)當(dāng)前非晶合金的室溫低塑性和無法高溫使用的缺點(diǎn)。除此之外，高熵合金在集成電路的硅銅擴(kuò)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。

目前已報(bào)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CoCrFeNiAl、AlTiCrFeCoNi和AlCrCuFeMnNi為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；高熔點(diǎn)的NbMoTaW和VNbMoTaW高熵合金；具有無序結(jié)構(gòu)的高熵非晶合金Zn₂₀Ca₂₀Sr₂₀Yb₂₀(Li_0.55Mg_0.45)₂₀、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(qiáng)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(diǎn)高熵合金并沒有拉伸性能的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于開發(fā)出具有具有簡(jiǎn)單的體心立方結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度低彈性模量的TiZrNbHf高熵合金，提高高熵合金的抗拉強(qiáng)度和延展性能，降低彈性模量。

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(diǎn)，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(jiǎn)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%%Hf。

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Ti、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(jī)去除原料金屬Ti、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(duì)樣品室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10^-3Pa后，充入工業(yè)氬氣直到爐內(nèi)壓力達(dá)到半個(gè)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(shí)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。

本發(fā)明的高熵合金具有高強(qiáng)度、低楊氏模量，該合金的拉伸強(qiáng)度超過700MPa，延伸率超過8%，彈性模量小于100GPa，具有優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。合金組成元素為對(duì)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。

附圖說明

圖1例示了TiZrNbHf和Ti₃₀Zr₃₀Nb₂₀Hf₂₀高熵合金的XRD圖譜。

圖2例示了TiZrNbHf高熵合金的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。