一种高强韧高密度多组元合金及其制备方法

1.本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及到一种高强韧高密度多组元合金及其制备方法。


背景技术：

2.高密度合金通常还具有高强度和高硬度等特点，在航空航天、电子产品、国防科技和重工业等领域广泛应用。目前最为常见的高密度合金为钨基重合金，其元素组成通常包含80wt％以上的w元素和少量其它金属元素如镍、铁和铜等。钨基重合金的显微组织通常由较大尺寸的钨晶粒和铁镍等元素形成的粘结相构成。近年来，为提高钨基重合金的力学性能，研究人员在制备工艺等方面作了诸多尝试，但钨基重合金中固有的粗大钨晶粒组织及其本征脆性等因素往往限制了合金力学性能的进一步改善，并使其难以有效服役于对性能要求更高的应用领域。因此，新型高性能高密度合金有待进一步开发。
3.多组元高熵合金(high-entropy alloys)包含至少四个或五个组元且每个组元的含量在5at.-％至35at.-％之间，通过合理成分设计可使其具备优异的综合性能。多组元高熵合金理念在开发高性能高密度合金方面也有一定潜力。例如：hu等人[x.hu,x.liu,d.yan,z.li,j.alloys compd.894(2021)162505]报道w
35
ta
35
mo
10
nb
10v10
(at.-％)高密度高熵合金的质量密度可达14.65g
·
cm-3
，显微硬度和极限抗压强度可分别达6.50gpa和2519mpa。虽然该种高熵合金表现出高密度、高强度、高硬度等良好性能，但其组织内部含有的ta2vo6脆性相不利于合金的塑性，使该合金表现出室温脆性。因此，开发在室温下具备高强度、高硬度和高韧性的高密度合金依然面临着技术问题。


技术实现要素：

[0004]
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
[0005]
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
[0006]
本发明的其中一个目的是提供一种高强韧高密度多组元合金，呈现由体心立方结构的基体和其它面心立方结构相等组成的多相组织特征。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种高强韧高密度多组元合金，由下述组分按原子百分比组成：w 47～58％、mo 8～17％、v 4～6％、fe 14～25％、ni 6～15％；
[0008]
其中，w、mo、v的原子百分含量之和≤80％且≥60％；fe、ni的原子百分含量之和≥20％且≤40％；各组分原子百分比之和为100％。
[0009]
本发明的另一个目的是提供如上述所述的高强韧高密度多组元合金的制备方法，包括，按合金的原子百分比配取各组分原料，在真空或惰性气体保护条件下烧结，得合金材料。
[0010]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述烧结，采用真空热压烧结或放电等离子体烧结方法。
[0011]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述在真空条件下烧结，维持炉内真空度在1～0.0001pa。
[0012]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述在惰性气体保护条件下烧结，维持炉内惰性气体压力在0.000001～5mpa。
[0013]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述烧结，烧结温度为900～1400℃，烧结时间为3～30min。
[0014]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述各组分原料选用纯度高于99wt.％的纯金属粉末。
[0015]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述配取各组分原料后，将各组分原料于球磨机中球磨5～100h。
[0016]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述将各组分原料于球磨机中球磨，球磨时的球料比为8～13:1，球磨机转速为每分钟150～600转，球磨在真空或惰性气体保护下进行。
[0017]
作为本发明高强韧高密度多组元合金的制备方法的一种优选方案，其中：所得合金材料，具有质量密度为13.8～17.5g
·
cm-3
，室温下压缩屈服强度为1000～2200mpa，极限抗压强度为1800～3200mpa，压缩应变值大于20％，维氏硬度值为4～12gpa的特性。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0019]
本发明提供的该多组元高密度合金材料包含体心立方(bcc)结构的基体相和面心立方(fcc)结构相，表现出多相复合的组织特征。多组元合金元素的存在使得合金中固溶强化效应显著，保证了较高的强度；w、mo和v元素的存在保证了合金的高密度特性以及体心立方(bcc)结构为基体的特征；fe和ni元素的存在保证了面心立方(fcc)结构相的形成，对合金的塑韧性发挥了重要作用；其优异的强韧性与高密度特征的搭配能使其应用于航空航天、电子产品、国防科技和重工业等领域。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0021]
图1是本发明实施例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的xrd谱图。
[0022]
图2是本发明实施例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜形貌图。
[0023]
图3是本发明实施例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的ebsd反极图(ipf)和相分布图。
[0024]
图4是本发明实施例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜能谱面分布图像。
[0025]
图5是本发明实施例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的压缩力学曲线图。
[0026]
图6是本发明实施例2提供的高强韧高密度多组元合金材料的xrd谱图。
[0027]
图7是本发明实施例2提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜形貌图。
[0028]
图8是本发明实施例2提供的高强韧高密度多组元合金材料的ebsd反极图(ipf)和相分布图。
[0029]
图9是本发明实施例2提供的高强韧高密度多组元合金材料的压缩力学曲线图。
[0030]
图10是本发明实施例3提供的高强韧高密度多组元合金材料的xrd谱图。
[0031]
图11是本发明实施例3提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜形貌图。
[0032]
图12是本发明实施例3提供的高强韧高密度多组元合金材料的ebsd反极图(ipf)和相分布图。
[0033]
图13是本发明实施例3提供的高强韧高密度多组元合金材料的压缩力学曲线图。
[0034]
图14是本发明实施例4提供的高强韧高密度多组元合金材料的xrd谱图。
[0035]
图15是本发明实施例4提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜形貌图。
[0036]
图16是本发明实施例4提供的高强韧高密度多组元合金材料的ebsd反极图(ipf)和相分布图。
[0037]
图17是本发明实施例4提供的高强韧高密度多组元合金材料的压缩力学曲线图。
[0038]
图18是本发明对比例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的xrd谱图。
[0039]
图19是本发明对比例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的扫描电镜形貌图。
[0040]
图20是本发明对比例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的ebsd反极图(ipf)和相分布图。
[0041]
图21是本发明对比例1提供的高强韧高密度多组元合金材料的压缩力学曲线图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0043]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0044]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0045]
实施例1
[0046]
按照化学式w
50
mo
10v5
fe
22.4
ni
12.6
(原子百分数)进行配料，原料使用各纯元素对应的金属粉末，在真空保护条件下将金属粉末置入装有研磨球的球磨罐中并密闭好，将装好金属粉料的球磨罐装入球磨机，运行15小时；球磨时的球料比为10:1，球磨机转速为每分钟300转；
[0047]
然后在真空保护条件下取出金属粉末，装入烧结磨具中并压实；将压实的胚体在真空保护条件下采用放电等离子体方法烧结，烧结温度为1250℃，烧结时间为10分钟；烧结后得到密实的块体材料，即实施例1中的合金。
[0048]
由附图1的xrd图谱可知，实施例1所得该多组元合金由体心立方(bcc)结构基体、2种面心立方(fcc)结构相以及少量bcc结构的富v相组成。由图2的扫描电镜图和图3的ebsd
图可知，bcc晶粒的平均尺寸为1.73μm，bcc基体相所占分数约为66％。由图4的能谱分析结果可知，bcc基体相富w和mo，fcc1相富fe和ni；此外，mo在fcc2相中有一定的富集现象。由图5的压缩力学曲线图可知，实施例1所得块体合金的屈服强度为1255mpa，抗压强度为2639mpa，压缩应变为32％，表现出优异的强韧性。
[0049]
实施例2
[0050]
按照化学式w
55
mo
15v5
fe
16
ni9(原子百分数)进行配料，原料使用各纯元素对应的金属粉末，在真空保护条件下将金属粉末置入装有研磨球的球磨罐中并密闭好，将装好金属粉料的球磨罐装入球磨机，运行15小时；球磨时的球料比为10:1，球磨机转速为每分钟300转；
[0051]
然后在真空保护条件下取出金属粉末，装入烧结磨具中并压实；将压实的胚体在真空保护条件下采用放电等离子体方法烧结，烧结温度为1250℃，烧结时间为10分钟；烧结后得到密实的块体材料，即实施例2中的合金。
[0052]
由附图6的xrd图谱可知，实施例2所得该多组元合金由bcc结构基体、2种fcc相以及少量bcc结构的富v相组成。由图7的扫描电镜图和图8的ebsd图可知，bcc晶粒的平均尺寸为2.22μm，bcc基体相所占分数约为86％。由图9的压缩力学曲线图可知，实施例2所得块体合金的屈服强度为1208mpa，抗压强度为2665mpa，压缩应变为31％，表现出优异的强韧性。
[0053]
实施例3
[0054]
按照化学式w
50
mo
10v5
fe
22.4
ni
12.6
(原子百分数)进行配料，原料使用各纯元素对应的金属粉末，在真空保护条件下将金属粉末置入装有研磨球的球磨罐中并密闭好，将装好金属粉料的球磨罐装入球磨机，运行15小时；球磨时的球料比为10:1，球磨机转速为每分钟300转；
[0055]
然后在真空保护条件下取出金属粉末，装入烧结磨具中并压实；将压实的胚体在真空保护条件下采用放电等离子体方法烧结，烧结温度为1350℃，烧结时间为10分钟；烧结后得到密实的块体材料，即实施例3中的合金。
[0056]
由附图10的xrd图谱可知，实施例3所得该多组元合金由bcc结构基体、2种fcc相以及少量bcc结构的富v相组成。由图11的扫描电镜图和图12的ebsd图可知，bcc晶粒的平均尺寸为1.78μm，bcc基体相所占分数约为80％。由图13的压缩力学曲线图可知，实施例3所得块体合金的屈服强度为1375mpa，抗压强度为2839mpa，压缩应变为30％，表现出优异的强韧性。
[0057]
实施例4
[0058]
按照化学式w
55
mo
15v5
fe
16
ni9(原子百分数)进行配料，原料使用各纯元素对应的金属粉末，在真空保护条件下将金属粉末置入装有研磨球的球磨罐中并密闭好，将装好金属粉料的球磨罐装入球磨机，运行15小时；球磨时的球料比为10:1，球磨机转速为每分钟300转；
[0059]
然后在真空保护条件下取出金属粉末，装入烧结磨具中并压实；将压实的胚体在真空保护条件下采用放电等离子体方法烧结，烧结温度为1350℃，烧结时间为5分钟；烧结后得到密实的块体材料，即实施例4中的合金。
[0060]
由附图14的xrd图谱可知，实施例4所得该多组元合金由bcc结构基体、2种fcc相以及少量bcc结构的富v相组成。由图15的扫描电镜图和图16的ebsd图可知，bcc晶粒的平均尺
寸为2.20μm，bcc基体相所占分数约为87％。由图17的压缩力学曲线图可知，实施例4所得块体合金的屈服强度为1219mpa，抗压强度为2272mpa，压缩应变为22％，表现出优异的强韧性。
[0061]
对比例1
[0062]
按照化学式w
50
mo
10v5
fe
22.4
ni
12.6
(原子百分数)进行配料，原料使用各纯元素对应的金属粉末，在真空保护条件下将金属粉末置入装有研磨球的球磨罐中并密闭好，将装好金属粉料的球磨罐装入球磨机，运行15小时；球磨时的球料比为10:1，球磨机转速为每分钟300转；
[0063]
然后在真空保护条件下取出金属粉末，装入烧结磨具中并压实；将压实的胚体在真空保护条件下采用放电等离子体方法烧结，烧结温度为1150℃，烧结时间为10分钟；烧结后得到对比例1中的合金。
[0064]
由附图18的xrd图谱可知，对比例1所得该多组元合金由bcc结构基体、2种fcc相以及少量bcc结构的富v相和少量μ相组成。由图19的扫描电镜图和图20的ebsd图可知，bcc晶粒的平均尺寸为0.36μm，bcc基体相所占分数约为42％。由图21的压缩力学曲线图可知，对比例1所得块体合金的力学性能较差，抗压强度为879mpa，无屈服阶段和断裂应变值。
[0065]
在本发明提供的该多组元高密度合金材料中，在组分匹配方面，具有以下特点：首先，与传统钨基高密度合金相比，该合金中引入mo和v元素，利用mo和v的原子半径与w的原子半径差异，使得在体心立方(bcc)基体结构中产生较大的晶格畸变以阻碍位错运动，有效提高合金中的固溶强化效应，提升强度和硬度；另一方面，mo和v元素的引入有利于降低传统纯w基体的韧脆转变温度，降低室温脆性，提高韧性。
[0066]
本发明该多组元高密度合金材料中引入fe和ni等合金化元素，其综合作用简述于下：1)fe和ni元素促进面心立方(fcc)相的形成，对提高塑韧性有利；2)少量fe和ni元素固溶于体心立方(bcc)基体中，也可在体心立方(bcc)基体中导致晶格畸变以阻碍位错运动，有效提高合金中的固溶强化效应，进一步提高合金的强度。
[0067]
本发明提供的该多组元高密度合金材料包含体心立方(bcc)结构的基体相和面心立方(fcc)结构相，表现出多相复合的组织特征。多组元合金元素的存在使得合金中固溶强化效应显著，保证了较高的强度；w、mo和v元素的存在保证了合金的高密度特性以及体心立方(bcc)结构为基体的特征；fe和ni元素的存在保证了面心立方(fcc)结构相的形成，对合金的塑韧性发挥了重要作用；其优异的强韧性与高密度特征的搭配能使其应用于航空航天、电子产品、国防科技和重工业等领域。
[0068]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。