[發明專利]一種極難熔高熵合金及合成方法

有效

• 申請號: 201911387977.2
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111041322B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 胡亮;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/03;C22F3/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種極難熔高熵合金及合成方法，設計了一種由五個熔點最高的金屬形成的極難熔高熵合金WReTaMoNb(按照熔點高低順序排列)，并提出用靜電懸浮條件下的快速凝固技術實現它的合成，改變快速凝固工藝參數促進該高熵合金無序固溶體的形成。通過改變過熱程度來提高過冷度，從而實現快速凝固，最大晶體生長速度達25m/s。由于改變了過冷度這個工藝參數，從107K提高到超過400K，使得微觀偏析顯著減少，得到了成分分布均勻的固溶體相。通過掃描電子顯微鏡和電子探針分析，凝固組織和元素分布均勻，不存在顯著的微觀偏析，形成了無序的固溶體相。

技術領域

本發明屬于高熵合金領域，涉及一種極難熔高熵合金及合成方法。

背景技術

高熵合金的概念首先由葉均蔚教授于2004年提出，不同于傳統的合金設計理念，由多個組元按照等原子比或接近等原子比形成合金。多個組元帶來的高熵效應在一定程度上避免了金屬間化合物的形成，易于形成結構單一的固溶體。這使得高熵合金有優異的性能，是合金材料領域的研究熱點。

一類由難熔金屬如Zr(熔點1855℃)、V(1910℃)、Hf(2233℃)、Nb(2477℃)、Mo(2623℃)、Ta(3017℃)、Re(3186℃)、W(熔點3422℃)等組成的難熔型高熵合金受到越來越多的關注和研究。難熔高熵合金具有高熔點，優異的高溫強度和耐腐蝕性能等優勢，有望作為新型合金應用于航空航天領域。

2010年，美國O.N.Senkov博士首先設計并合成了等原子比NbMoTaW和VNbMoTaW兩種高熵合金。“Refractory high-entropy alloys[J]，Intermetallics 18，2010”和“Mechanical properties of Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅W₂₅ and V₂₀Nb₂₀Mo₂₀Ta₂₀W₂₀ refractory highentropy alloys[J]，Intermetallics 19，2011”。除屬于密排六方結構的金屬Re外，上述難熔金屬在高溫下都是體心立方結構。結構的差異容易導致金屬間化合物的出現，因此為了得到單一的固溶體相，難熔高熵合金的設計中都不包含Re。

在難熔金屬中，W、Ta、Mo、Nb、V均為體心立方結構，Hf和Zr存在BCC-HCP的轉變。因此，在NbMoTaW四元中/高熵合金的基礎上添加金屬Re形成的是由五個熔點最高的金屬組成的極難熔高熵合金。但是，由于Re與其他四個元素之間有強烈的化學鍵合作用，容易形成非常穩定的金屬間化合物Laves相。因此，WReTaMoNb高熵合金很有可能會形成有序固溶體甚至是金屬間化合物相。為了得到單一的無序固溶體相，需采用特殊的方法進行合成。

難熔型高熵合金制備方法主要有真空熔煉和粉末冶金等技術，但是真空熔煉對溫度要求很高，且熔煉的合金具有比較嚴重的成分偏析，特別是對于多組元高熵合金。而采用粉末冶金方法制備難熔高熵合金時對模具要求較高。結合激光加熱的靜電懸浮技術非常有利于難熔型高熵合金的熔煉。由于靜電懸浮不依賴容器和坩堝，而且在高強激光作用下加熱溫度可達到4000K。此外，無容器消除了容器壁的污染和異質晶核作用，懸浮熔體很容易達到深過冷狀態并實現快速凝固。快速凝固可以減少元素偏析，促進高熵合金形成無序的固溶體相。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種極難熔高熵合金及合成方法。本發明設計的由W、Re、Ta、Mo和Nb這5個熔點最高金屬組成的高熵合金，并利用靜電懸浮技術合成這個高熵合金，得到無序固溶體相。同時測量高熵合金快速凝固的晶體生長速度并測試其力學性能。

技術方案