一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用

本发明属于新型金属材料，具体涉及一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、航空航天发展应用对高温结构材料提出了更高的要求，探寻轻质、耐高温的高温合金具有重要意义。目前传统合金因自身熔点受限，使其服役温度接近极限。2004年，叶均蔚提出“多主元高熵合金”，指含有至少五种元素，各元素的含量为5％至35％(at.％)。由于高混合熵和独特的“四大效应”使其具有良好的强度塑性匹配，优异的腐蚀性和抗氧化性等，促使这类合金突破传统材料的性能极限成为可能。

2、目前，难熔多主元合金虽具有极高的高温性能，但难熔元素高含量的加入，将会导致高密度和高成本的应用局限，这将对航空航天高温领域造成困境。另外，难熔多主元合金大多具有bcc单相结构，具有多相/增强相的难熔多主元合金相对较少，目前处于不断开发中。其中，强度和塑性的协同调控始终是一个重要问题。例如，senkev等最初开发的nbmotaw和nbmotawv两种bcc单相合金虽具有极高的高温性能，但室温下极脆，这极大限制了工程应用。其次，金属间化合物、纳米相的析出使得多相合金存在强度-塑性矛盾的情况，带来高强度的同时，严重损失了塑性，导致合金综合性能不佳。因此，开发具有低密度且强塑匹配良好的难熔多主元合金具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有难熔多主元高温合金密度和制备成本高以及强塑不匹配的技术问题，而提供一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。

2、本发明的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为tianbbmocmd，其中m为轻质元素，a＝30at.％～45at.％，b＝30at.％～45at.％，c＝15at.％～25at.％，d＝2at.％～18at.％。

3、进一步限定，所述轻质元素为al、si、c、b中的一种或几种。

4、进一步限定，所述低密度难熔多主元合金为多相合金。

5、本发明的一种低密度难熔多主元合金的制备方法按以下步骤进行：

6、按照低密度难熔多主元合金的名义化学成分将各元素的铸锭置于真空电弧炉中，抽真空后充入惰性气体，在惰性气体保护下，于400a～500a下进行熔炼，然后在所有铸锭完全融化后继续在400a～500a下熔炼1min～3min，随炉冷却，得到低密度难熔多主元合金。

7、进一步限定，熔炼过程中对铸锭进行多次翻转，确保熔炼均匀彻底。

8、进一步限定，各元素铸锭的纯度不低于99.99％。

9、进一步限定，熔炼前对各元素铸锭进行预处理，所述预处理过程为：先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮，然后置于酒精中超声清洗2min～4min，清洗后烘干。

10、进一步限定，抽真空至真空度为8×10-4pa。

11、进一步限定，充入惰性气体至炉内气压为0.95mpa。

12、进一步限定，将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时，按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置。

13、本发明的低密度难熔多主元合金应用于航空航天领域。

14、本发明与现有技术相比具有的显著效果：

15、1)本发明的难熔多主元合金因析出第二相/共晶组织，导致相界面增加，这些界面将在变形过程中，有效阻碍位错运动，从而提升强度。析出相/共晶组织与基体间的良好结合有效的促进了位错在界面上的滑动，延缓了裂纹扩展，有效提高了塑性。所提供的合金兼具良好的强度和塑性，能够较好的满足实际应用的不同场合。

16、2)本发明的低密度难熔多主元合金密度低于7g/cm3，最低达到6g/cm3，能够更好的服务、应用于航空航天领域。

17、3)本发明的低密度难熔多主元合金，室温塑性基本上都达到了18％及以上，室温屈服强度均大于1gpa，其中tinbmo0.5al0.225室温塑性约34％，屈服强度可达到1045mpa。tinbmo0.5al0.225si0.1屈服强度达到1570mpa，极限应变达到20％。

18、4)本发明的低密度难熔多主元合金，高温下具有极高的相稳定性，强度相较于室温下降低不大，塑性显著提升，几乎观察不到软化现象。其中，ti40.7nb33.3mo21.3si4.7合金800℃高温下的屈服强度达到1042mpa，极限应变约30％。

技术特征：

1.一种低密度难熔多主元合金，其特征在于，该低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为tianbbmocmd，其中m为轻质元素，a＝30at.％～45at.％，b＝30at.％～45at.％，c＝15at.％～25at.％，d＝2at.％～18at.％。

2.根据权利要求1所述的一种低密度难熔多主元合金，其特征在于，所述轻质元素为al、si、c、b中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种低密度难熔多主元合金，其特征在于，所述低密度难熔多主元合金为多相合金。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

5.根据权利要求4所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，熔炼过程中对铸锭进行多次翻转，确保熔炼均匀彻底。

6.根据权利要求4所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，各元素铸锭的纯度不低于99.99％。

7.根据权利要求4所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，熔炼前对各元素铸锭进行预处理，所述预处理过程为：先通过机械研磨去除各元素铸锭表面的氧化皮，然后置于酒精中超声清洗2min～4min，清洗后烘干。

8.根据权利要求4所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，抽真空至真空度为8×10-4pa，充入惰性气体至炉内气压为0.95mpa。

9.根据权利要求4所述的一种低密度难熔多主元合金的制备方法，其特征在于，将各元素的铸锭置于真空电弧炉中时，按照铸锭熔点由低到高的次序依次放置。

10.如权利要求1-3任意一项所述的一种低密度难熔多主元合金的应用，其特征在于，该低密度难熔多主元合金应用于航空航天领域。

技术总结
一种低密度难熔多主元合金及其制备方法和应用。本发明属于新型金属材料技术领域。本发明的目的是为了解决现有难熔多主元高温合金密度和制备成本高以及强塑不匹配的技术问题。本发明的一种低密度难熔多主元合金的名义化学表达式为Ti<subgt;a</subgt;Nb<subgt;b</subgt;Mo<subgt;c</subgt;M<subgt;d</subgt;，其中M为轻质元素，a＝30at.％～45at.％，b＝30at.％～45at.％，c＝15at.％～25at.％，d＝2at.％～18at.％。方法：将铸锭置于真空电弧炉中，抽真空后在惰性气体保护下进行熔炼，随炉冷却，得到低密度难熔多主元合金。本发明中的难熔多主元合金具有较低的密度，较高的热稳定性，良好的综合力学性能。通过调控主元含量来调控合金中第二相、共晶组织的析出体积分数，以获得强度和塑性良好匹配的优异合金。本发明主要应用于航空航天领域。

技术研发人员：王亮,李哲,王斌斌,苏彦庆,陈瑞润,骆良顺,郭景杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12