CN109023002B - 一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。该种合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中20≤a≤35，20≤b≤35，20≤c≤35，20≤d≤35，0.01≤e≤3。所需原料为纯金属，Si以硅单质形式加入。将原料去除氧化皮后，放入真空电弧炉进行熔炼，熔炼4～6次后，可获得单相BCC机构的固溶体合金。本发明将Si固溶到VNbMoTa晶格中，显著地提高了高熵合金的室温和高温强度。尤其是(VNbMoTa)_97.5Si_2.5在1200℃下仍具有超过1Ga的屈服强度，优于目前报道的其他体系的难熔高熵合金。

Description

一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。

背景技术

高温合金是指在550℃及以上温度能够承担载荷，并具有一定的抗氧化和抗腐蚀行为的重要材料，是制造汽车、航空、火箭等发动机的重要基础。传统的高温合金的设计方法主要是以一种或两种金属元素为主，添加少量其他元素形成固溶体或者第二相，使其在高温下能够保持高强度。这种方法开发的高温合金主要以Ni基、Co基和Fe基为主，在600℃～1000℃具有良好的应用。但是由于这些元素自身熔点的原因，使用温度大多低于1100℃。随着国家重大战略的发展需要，对发动机动力方面提出了更高的要求，这就需要材料能够在更高的温度下服役，新型高温合金的研发迫在眉睫。

近年来中国台湾学者叶均蔚提出的新的合金概念，即高熵合金，引起了广泛的关注。高熵合金是一种具有多种主元和简单相结构的新型合金，具有高强度、高硬度、低蠕变的优点。目前报道的构成高熵合金元素集中在Co、Cr、Fe、Ni、 Al、Cu和V、Nb、Mo、Ta、W、Hf元素等。由后者构成的高熵合金因熔点较高，又称难熔高熵合金，在高温材料领域应用具有更大的优势。

目前最引人关注的MoNbTaVW、MoNbTaW系列的难熔高熵合金，在1200℃能够保持超过500MPa的屈服强度。但含有的W元素熔点和密度过高，材料在真空熔炼炉熔炼过程易产生缺陷，所制备的上述合金密度超过12g/cm³。针对这一问题，本发明选优V、Nb、Mo、Ta、Si五种元素，设计出一款新型VNbMoTaSi 难熔高熵合金。利用少量的硅原子溶解在晶格中，使得合金在超高温条件下具有较高的强度。另外由于不含有W元素，合金在真空熔炼炉熔炼过程较为致密，材料塑性变形能力优于VNbMoTaW合金。在进一步提升发动机效率，本发明在解决材料耐高温方面具有一定的应用。

发明内容

本发明的目的一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法，该合金具有高强度、低蠕变的V_aNb_bMo_cTa_dSi_e的特点，且该种合金具有简单的体心立方结构，随着Si元素的加入，合金在1200℃的高温下仍能保持超过1GPa的强度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的高熵合金体系为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，所需要的原材料为纯金属钒、铌、锆、钛以及高纯硅。采用真空非自耗电弧炉熔炼等工艺进行熔炼，可以获得具有简单体心立方结构的高熵合金。

一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金，所述合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中20≤a≤35，20≤b≤35，20≤c≤35，20≤d≤35，0.01≤e≤3，且a+b+c+d+e＝100；

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e， a＝b＝c＝d＝24.875，e＝0.5。

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e， a＝b＝c＝d＝24.625，e＝1.5。

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e， a＝b＝c＝d＝24.375，e＝2.5。

一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、选择冶金原料V、Nb、Mo、Ta，采用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用。

步骤二、将步骤一处理过的V、Nb、Mo、Ta金属按照合金表达式 V_aNb_bMo_cTa_dSi_e换算成质量百分比进行配比称料，Si元素以块状的单质硅加入，纯度不低于99.99％。将称量好的原料在超声清洗仪中清洗20分钟。

步骤三、将处理好的原料，按照熔点的高低放入到非自耗高真空熔炼炉铜坩埚中。关闭炉门，打开冷却水，对样品室进行抽真空。当腔体真空度为2.5*10^-3 Pa时，停止抽真空，通入溶度为0.05～0.08MPa氩气。

步骤四、开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体。然后对每个坩埚内的V_aNb_bMo_cTa_dSi_e合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5～3分钟。在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合。合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。

有益效果

1、本发明制备的合金具有高强度、高硬度的特性；在高温下具有低蠕变，抗软化性好的特点。

2、本发明种加入了极少量的Si，室温屈服强度超过1600MPa，在1200℃的高温下屈服强度超过1GPa。

附图说明

图1为本发明制备的VNbMoTaSi的X射线衍射(XRD)图；

图2为本发明制备的VNbMoTaSi的背散射电子图片

图3为本发明制备的VNbMoTaSi的室温压缩应力-应变曲线：

图4为本发明制备的VNbMoTaSi在1000℃下压缩的应力-应变曲线：

图5为本发明制备的VNbMoTaSi在1200℃下压缩的应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

1.合金的成分设计及制备

设计不同硅含量的合金成分为(VNbMoTa)_100-xSi_x，其中x＝0，0.5，1.5，2.5。分别用Si-0，Si-0.5，Si-1.5和Si-2.0表示。为了体现Si在VNbMoTa的作用， Si-0在相同制备条件下作为对比，但不在本发明保护范围内。

所述高熵合金材料为V_aNb_bMo_cTa_d，其中a＝b＝c＝d＝25.0。

所述高熵合金材料为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中a＝b＝c＝d＝24.875，e＝0.5。

所述高熵合金材料为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中a＝b＝c＝d＝24.625，e＝1.5。

所述高熵合金材料为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中a＝b＝c＝d＝24.375，e＝2.5。

一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、选择冶金原料V、Nb、Mo、Ta，采用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用。将准备好的原材料按照表1的各元素的质量分数进行称量，硅元素以块状单质硅的形式加入。

步骤二、将称量好的原料按照熔点的高低，依次放入非自耗真空熔炼炉铜坩埚中。关闭炉门，打开冷却水，开始抽真空，至腔体真空度为2.5*10^-3Pa后停止。开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体。然后对每个坩埚内的V_aNb_bMo_cTa_dSi_e合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5～3分钟。在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合。合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。

表1 VNbMoTaSi高熵合金体系的各元素的质量分数

2.合金的组织结构及性能

1)显微结构及相组成分析

利用线切割在纽扣锭中心取出4mm×4mm×4mm试样，将试样依次使用150#、 400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸研磨，然后使用CrO₃悬浮抛光液抛光。使用D8-advanced X射线分析仪对样品相结构分析。扫描步长为0.02S^-1，扫描角度为：20°～90°。背散射二次电子分析采用HITACHIS4800扫描电镜。

XRD衍射峰测试结果如图1所示，所有的合金均为单相BCC结构，并无硅化物析出。从背散射电子图片可以看出(图2)，V、Nb、Mo、Ta元素均匀分布，无明显衬度。多主元合金具有高熵效应，提高了固溶体相的稳定性，且 Si原子与V、Nb、Mo、Ta原子半径相近(原子半径差δ<5.0％)。因此Si固溶到晶格中而没有形成硅化物。

2)室温准静态压缩性能

在Si-0，Si-0.5，Si-1.5，Si-2.5合金铸锭中心部位使用线切割取出φ4×6 圆柱样品，用车床将圆柱的两个端面加工平整。在Instron5569电子万能试验机上进行室温压缩测试，加载速率为0.36mm/min，测试载荷为4500kg。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温压缩性能。实验所获得的Si-0，Si-0.5， Si-1.5，Si-2.5压缩工程应力应变曲线如图3所示，准静态压缩性能总结在表2 中。随着Si元素的添加，合金压缩屈服强度具有明显的提升，但塑性下降。Si 元素与其他难熔元素之间虽没有形成中间化合物，但是形成的键介于金属键与共价键之间，能够显著提升合金的强度和硬度。

表2 VNbMoTaSi高熵合金系室温压缩力学性能

3)高温(1000℃，1200℃)压缩性能

将Si-0，Si-0.5，Si-1.5，Si-2.5合金铸锭在中心部位使用线切割取出φ6×9 圆柱样品，用车床将圆柱的两个端面加工平整。高温压缩实验在Gleeble-3500 热模拟试验机上进行，最大加载载荷为60KN。测试采用铂铑热电偶，合金应变率为10^-3S^-1，合金压缩量设定为50％。加热温度分别设定为1000℃和1200℃，升温速率为5℃/S，保温时间为3min。实验所获得的Si-0，Si-0.5，Si-1.5，Si-2.5 合金在1000℃的压缩性能如图4所示，1200℃下的高温压缩性能如图5所示。高温性能详细数据总结在表2

由图4和表3可以看出，在高温下，VNbMoTaSi系高熵合金的塑性有所改善。随着Si含量的增多，合金的软化效果并不十分明显，Si-2.5合金在1200℃仍能保持超过1GPa的屈服强度。Si原子固溶在VNbMoTaSi系合金的晶格中，在高温下能够有效抑制元素之间的扩散。

表3 VNbMoTaSi高熵合金系高温(1000℃，1200℃)压缩力学性能

以上是有关本发明的较佳实施例的说明。在此，需要说明的一点是，本发明并不局限于以上实施例，在满足权利要求书、发明内容以及附图等范围要求的情况下，可以对本发明所作的任何修改、同等替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金，其特征在于：所述合金成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，其中20≤a≤35，20≤b≤35，20≤c≤35，20≤d≤35，0.5≤e≤3，且a+b+c+d+e＝100。

2.如权利要求1所述的一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金，其特征在于：所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，a＝b＝c＝d＝24.875，e＝0.5。

3.如权利要求1所述的一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金，其特征在于：所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，a＝b＝c＝d＝24.625，e＝1.5。

4.如权利要求1所述的一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金，其特征在于：所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为V_aNb_bMo_cTa_dSi_e，a＝b＝c＝d＝24.375，e＝2.5。

5.制备如权利要求1所述一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、选择冶金原料V、Nb、Mo、Ta，采用砂轮机去除原材料表面的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用；

步骤二、将步骤一处理过的V、Nb、Mo、Ta金属按照合金表达式V_aNb_bMo_cTa_dSi_e换算成质量百分比进行配比称料，Si元素以块状的单质硅加入，纯度不低于99.99％；将称量好的原料在超声清洗仪中清洗20分钟；

步骤三、将处理好的原料，按照熔点的高低放入到非自耗高真空熔炼炉铜坩埚中；关闭炉门，打开冷却水，对样品室进行抽真空；当腔体真空度为2.5×10^-3Pa时，停止抽真空，通入浓度为0.05～0.08MPa氩气；

步骤四、开启非自耗高真空电弧熔炼炉，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体；然后对每个坩埚内的V_aNb_bMo_cTa_dSi_e合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5～3分钟；在熔炼过程中至少开启两遍磁搅拌，保证金属原子良好的混合；合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。

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