一种Mo

一种mo
x
nbta
y
tiv高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种mo
x
nbta
y
tiv高熵合金和制备方法。


背景技术：

2.传统的金属材料是某一种(或两种)元素为主要组元，其他各元素少量或者微量添加所组成的合金体系，高熵合金为近年来热门发展的一类新型合金，其与传统合金最显著的区别在于高熵合金则打破了这种设计思路，多组元近似等摩尔比的高混合熵合金，能够形成简单结构的单相固溶体，而其以高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应、鸡尾酒效应四大核心效应为基础，进而设计出具有多种出色性能的材料，这些效应使得高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高热阻、良好的耐腐蚀性及抗蠕变性能等优点。
3.美国空军研究实验室的senkov等人首先于2010年报道了难熔高熵合金，它主要由ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta、w等难熔金属元素组成，具有高温下的高强度和高耐化学腐蚀性等优异性能，在航空工业，航天工程，发动机制造，化学加工和核电站等领域的具有广泛应用潜力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mo
x
nbta
y
tiv高熵合金及其制备方法，该高熵合金在常温和高温下都有良好的强度和塑性，且耐多种环境腐蚀性极好，在工作温度范围跨度较大的、情况复杂的条件下有较为广泛的应用前景。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种mo
x
nbta
y
tiv高熵合金，由mo、nb、ta、ti和v五种元素组成，该合金化学式为：mo
x
nbta
y
tiv，x＝0.05
‑
0.95，y＝0.05
‑
0.95。
7.该合金按照摩尔比计的化学成分：mo 0.05
‑
0.95，nb 0.9
‑
1.2，ta 0.05
‑
0.95，ti 0.9
‑
1.2，v 0.9
‑
1.2。
8.该合金按照摩尔比计优选的化学成分为：mo 0.75，nb 1，ta 1，ti 1，v 1。
9.该高熵合金的组织结构为两种体心立方结构为主体，并部分伴有晶界析出面心立方结构的氮化物沉淀相；该合金与传统金属材料相比，在高温下具有高硬度、高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等优良的性能。
10.该高熵合金随着mo含量的增加或ta含量的降低，合金屈服强度总体为上升趋势，延伸率为下降趋势。
11.所述mo
x
nbta
y
tiv高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
12.(1)配料：根据高熵合金中各元素的摩尔比计算并精确称量mo、nb、ta、ti和v元素原料；各元素采用的mo、nb、ta、ti和v金属单质原料的纯度不低于99.5％。各元素原料使用前，先用机械及化学方法去除mo、nb、ta、ti和v纯金属单质原料表面氧化皮，然后分别依次在蒸馏水和无水乙醇中超声清洗。
13.(2)母合金熔炼：将步骤(1)称量的各元素原料按照熔点由低到高从下至上依次放置在铜坩埚中；将炉腔抽真空抽至3.5
×
10
‑3pa，再通入纯度为99.99wt.％的高纯氩气作为保护气体，直至炉内压强至0.3mpa停止充气；开始熔炼时，首先将炉内ti锭熔炼3分钟，通过熔融纯钛吸收残余空气中的氧气与氮气，再熔炼铜坩埚中的其他金属单质原料；原料全部熔化形成合金后，待其冷却，使用机械手臂将合金锭翻转，再次熔炼，并打开磁搅拌，熔炼电流为300～500a，磁搅拌电流10a，重复4次最终得到母合金锭；
14.(3)铜模浇铸：将熔炼好的母合金锭置于吸铸系统的铜坩埚中，下方放置孔径为8～12mm的铜模具；炉腔真空抽至3.5
×
10
‑3pa后充高纯氩气至300～400mbar；首先以350a电流将母合金锭顶部熔化，待形成一定量的熔池后以500～800a电流将合金锭快速完全熔化使之流入铜模中；待其冷却，得到组织均匀的合金。
15.(4)热等静压处理：将步骤(3)所得合金样品由石英砂包裹，置于大型石墨坩埚内，外层加热介质为钼丝炉，缸内气氛为高纯氩气；热等静压温度为1200℃，压力为150mpa，升温速率10℃/min，保压时间2小时，自然降温。
16.本发明的优点和有益效果如下：
17.本发明通过调整mo
‑
nb
‑
ta
‑
ti
‑
v五元合金内mo和ta的含量，从强度和塑性两个方向提高合金的综合性能，并通过热等静压工艺使合金的缺陷减少，使强度和塑性进一步提高。
附图说明
18.图1是moxnbtaytiv高熵合金的xrd图谱；其中：(a)为铸态下xrd图谱；(b)为热等静压后xrd图谱。
19.图2是铸态moxnbtaytiv高熵合金的微观组织图。
20.图3是热等静压处理后moxnbtaytiv高熵合金的微观组织图。
21.图4是铸态moxnbtaytiv高熵合金在常温下的压缩应力应变曲线。
22.图5是热等静压后moxnbtaytiv高熵合金在常温下的压缩应力应变曲线。
23.图6是热等静压前后moxnbtaytiv高熵合金的屈服强度和抗压强度的比较。
具体实施方式
24.以下结合附图和实施例详述本发明。
25.实施例1：
26.本实施例为mo
x
nbta
y
tiv高熵合金的制备，，其中，mo、nb、ta、ti、v的摩尔比为x：1：y：1：1，x＝0.25、0.5、0.75、1，y＝0.25、0.5、0.75、1，具体制备过程步骤如下：
27.步骤1：配料，用机械及化学方法去除mo、nb、ta、ti和v纯固态原料表面氧化皮，并先加入蒸馏水后加入无水乙醇中分别超声清洗；根据摩尔百分比计算并精确称量mo、nb、ta、ti和v原料
28.步骤2：母合金熔炼，将步骤1所述金属原料按照熔点由低到高从下至上依次放置在铜坩埚中。将炉腔抽真空抽至3.5
×
10
‑3pa，再通入纯度为99.99wt.％的高纯氩气作为保护气体，直至炉内压强至0.3mpa停止充气。开始熔炼时，首先将炉内ti锭熔炼3分钟，通过熔融纯钛吸收残余空气中的氧气与氮气，再熔炼铜坩埚中的单质原料。原料全部熔化形成合
金后，待其冷却，使用机械手臂将合金锭翻转，再次熔炼，并打开磁搅拌，熔炼电流为300～500a，磁搅拌电流10a，重复4次最终得到母合金锭。
29.步骤3：铜模浇铸。将熔炼好的母合金置于吸铸系统的铜坩埚中，下方放置圆孔孔径为8～12mm的铜模具。炉腔真空抽至3.5
×
10
‑3pa后充高纯氩气至300～400mbar。首先以350a电流将母合金锭顶部熔化，待形成一定量的熔池后以500～800a电流将合金锭快速完全熔化使之流入铜模中。待其冷却，得到组织均匀的合金。
30.步骤4：热等静压处理。样品由石英砂包裹，置于大型石墨坩埚内，外层加热介质为钼丝炉，缸内气氛为高纯氩气。处理条件为1200℃、150mpa，升温速率10℃/min，保压时间2小时，自然降温。
31.对所制备的合金进行组织结构及性能测试，具体如下：
32.1、采用xrd、miniflex 600、rigaku进行物相分析
33.从所述高熵合金圆棒中延轴向切取2mm
×
8mm
×
9mm的片状试样，采用1000目砂纸打磨后测试，x射线源为cukα射线，扫描范围20
°
～90
°
，扫描速度20
°
/min，即扫描步长0.05sec/step。
34.xrd图谱如图1所示，从图中可以判断，基体为体心立方结构(bcc1)，并存在少量的体心立方结构的第二相bcc2，以及在高mo含量的合金中存在少量fcc结构的氮化物。热等静压处理前后材料晶体结构无显著变化，热等静压处理后，bcc2相及fcc相所对应峰强增强，说明含量增大。bcc1相半峰宽无明显变化，bcc2相半峰宽变窄，说明bcc2相晶粒长大。
35.2、采用tescan mira 4扫描电子显微镜进行微观组织观察
36.从所述高熵合金圆棒中延轴向切取2mm
×
8mm
×
9mm的片状试样，先后采用砂纸、金刚石研磨膏和氧化铝抛光液打磨抛光，采用扫描电子的背散射探头观察样品。
37.如图2所示，铸态合金呈典型成分偏析结构，由白亮的树枝晶结构(bcc1)和深色的枝晶间结构(bcc2)组成，结合xrd图谱结果可知，材料中占据主要地位的为bcc1相，晶粒较为细小致密。但晶粒间存在大量气孔。
38.如图3所示，经过热等静压处理后样品ta1mo0.75，ta1mo0.5，ta1mo0.25深色枝晶间区域显著增大，即bcc2相晶粒长大。高温高压下晶间气孔消失。而在ta0.25mo1，ta0.5mo1，ta1mo0.75中深色枝晶间相则出现团聚现象且fcc结构的tin相在枝晶间大量出现。
39.3、采用gleeble 3800进行不同温度准静态压缩试验
40.从所述高熵合金圆棒中延轴向使用线切割切取直径为6mm的圆棒，使用无心磨打磨后切为直径为6mm高度9mm的圆柱状压缩样品。应变速率为1
×
10
‑3，测试采用3个平行样品。
41.结果如图4和图5所示。从延伸率上看，经过热等静压后材料的塑性有所降低。这是由于晶粒长大、低熔点元素偏聚以及第二相出现导致。从图6所示的强度上看，铸态下较低屈服强度的成分(mo含量较少)屈服强度有所提升而较高屈服强度的成分(mo含量较高)则出现了屈服强度的下降。同时，抗压强度的结果相类似，低屈服强度的成分(ta1mo0.5，ta1mo0.25)抗压强度都得到了提高。