一种力学性能优良的Ti-V-Cr-W系难熔高熵合金及其制备方法与流程

一种力学性能优良的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种力学性能优良的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，打破传统合金以两个元素作为合金基体的局限，添加其它微量元素以至少四种金属元素作为合金主元的设计理念被提出，因为该合金具有较大的混合熵，因此被称为高熵合金，其每一种元素所占合金的比例为5％
‑
35％。由于具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应，所以高熵合金具备比传统合金更优异的性能，如高强度、高塑性、强耐摩擦性和强耐腐蚀性等。目前主要是根据一些经验参数，比如合金的混合焓、混合熵、原子半径方差以及价电子浓度等，通过调整合金主元的比例使这些参数值在利于形成固溶体的范围内来设计高熵合金。
3.随着航空航天技术的不断发展，急需提出一种耐高温合金作为航空航天的应用材料，而高熵合金可以包含多个高温难熔金属，其高温下也具有较好的力学性能，因此具有成为高温结构材料的潜力。已被报道的wnbmota高熵合金为典型的难熔高熵合金，拥有较好的室温和高温强度，但其在室温下塑性很差，严重影响其作为工程结构材料的应用。因此开发同时具有较高强度和较好塑性的难熔高熵合金具有重要意义。


技术实现要素：

4.基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种力学性能优良的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金及其制备方法，旨在通过调整各元素的比例，使所得高熵合金同时具备较高强度和较好塑性。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种力学性能优良的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金，其特点在于：所述高熵合金由ti、v、cr和w四种主元构成，成分为(tivcr)
x
w
y
，其中x y＝100、y＝3～25，x、y为原子百分数。
7.本发明所述力学性能优良的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤1、取ti、v、cr和w原料，通过机械打磨的方法去除表面氧化皮，然后在酒精中超声清洗；将清洗后的各原料烘干，按配比称重；
9.步骤2、将配制好的金属原料放入真空非自耗电弧熔炼设备的坩埚中，对设备抽真空，然后充入氩气作为保护气；
10.步骤3、炉内引弧，先熔炼钛锭将炉内残余的氧气耗尽，然后降低电流至引弧电流，将电弧移动至原料处，再调节电流至熔炼电流，对合金进行多次熔炼，确保合金熔炼均匀，即获得ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金锭。
11.优选的，步骤1中，ti、v、cr和w各原料的纯度不低于99.99％。
12.优选的，步骤1中，称重时精确至
±
0.001g。
13.优选的，步骤2中，所述抽真空是抽至真空度达到8
×
10
‑4pa以下，充入氩气至炉内气压达到0.95mpa。
14.优选的，步骤3中，所述引弧电流为15
‑
25a。
15.优选的，步骤3中，熔炼钛锭的电流为180
‑
200a，熔炼合金的电流为250
‑
280a、每次熔炼时长为3
‑
8分钟。
16.本发明的有益效果如下：
17.1、本发明由ti、v、cr和w四种主元构成ti
‑
v
‑
cr
‑
w系高熵合金，具有高强度、高硬度以及良好的塑性。
18.2、dsc数据表明，本发明的高熵合金在1400℃以下没有明显相变发生，具有良好的热稳定性。
19.3、本发明的高熵合金中通过加入低密度的钛(
‑
4.51g/cm3)、钒(
‑
6.11g/cm3)、铬(
‑
7.19g/cm3)以及高熔点难熔金属钨(熔点为3695k)，一方面降低了合金的密度，另一方面提高了合金的熔点，使其具有在航空航天材料领域应用的前景。
附图说明
20.图1为本发明实施例1所得(tivcr)
95
w5合金锭的室温压缩应力应变曲线。
21.图2为本发明实施例1所得(tivcr)
95
w5合金锭的xrd图谱。
22.图3为本发明实施例1所得(tivcr)
95
w5合金锭的dsc曲线。
23.图4为本发明实施例2所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的室温压缩应力应变曲线。
24.图5为本发明实施例2所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的xrd图谱。
25.图6为本发明实施例2所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的dsc曲线。
26.图7为本发明实施例3所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的室温压缩应力应变曲线。
27.图8为本发明实施例3所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的xrd图谱。
28.图9为本发明实施例3所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的dsc曲线。
29.图10为本发明实施例4所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的室温压缩应力应变曲线。
30.图11为本发明实施例4所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的xrd图谱。
31.图12为本发明实施例4所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的dsc曲线。
32.图13为本发明各实施例所得ti
‑
v
‑
cr
‑
w系高熵合金的硬度误差棒图。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
34.实施例1
35.本实施例的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金，成分为(tivcr)
95
w5(即ti、v、cr、w原子百分数分别为31.67at.％、31.66at.％、31.67at.％、5at.％)，制备步骤如下：
36.步骤1、选取纯度为99.99％的钛、钒、铬和钨原料，通过机械研磨的方法去除表面氧化皮，然后放置于盛有酒精的烧杯里进行超声波清洗2
‑
3min。
37.将清洗后的各原料烘干，用高精密天平称重，使各元素按比例分配重量，并且重量精确到
±
0.001g，称量两次以保证结果的准确性。
38.步骤2、将配制好的金属原料放入真空非自耗电弧熔炼设备的坩埚中，对设备进行抽真空，使真空度达到8
×
10
‑4pa，然后充入氩气作为保护气，使炉内气压达到0.95mpa。
39.步骤3、炉内引弧，引弧电流为20a，先熔炼钛锭将炉内残余的氧气耗尽(熔炼钛锭的电流为180a)，然后将电流调至引弧电流20a，再把电弧移动至原料处，慢慢将电流调至250a，保持在250a电流下熔炼3分钟；将电流调至0，关闭电源，靠冷却系统随炉冷却。冷却后，利用炉内翻料勺将合金翻转，重复前述过程，继续熔炼3分钟。
40.上述过程重复6次，共熔炼12遍，最终制成(tivcr)
95
w5难熔高熵合金锭。
41.图1为本实施例所得(tivcr)
95
w5合金锭的室温压缩应力应变曲线。经测试，本实施例所得(tivcr)
95
w5合金锭的平均维氏硬度为465hv
1.0
，室温下屈服强度为1453mpa、抗压强度为2150mpa、塑性变形为18.0％，该高熵合金在具有较高的强度的同时也具备了较好的塑性。
42.图2为本实施例所得(tivcr)
95
w5合金锭的xrd图谱，表明该合金为双bcc相。
43.图3为本实施例所得(tivcr)
95
w5合金锭的dsc曲线，可以看出该合金在25
‑
1400℃范围内没有明显的吸放热峰，表明该合金在此温度范围内具有良好的热稳定性。
44.实施例2
45.本实施例的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金，成分为(tivcr)
90
w
10
(即ti、v、cr、w原子百分数分别为30at.％、30at.％、30at.％、10at.％)，制备步骤与实施例1相同，区别仅在于高熵合金每次熔炼时长为5min。
46.图4为本实施例所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的室温压缩应力应变曲线。经测试，本实施例所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的平均维氏硬度为497hv
1.0
，室温下屈服强度为1471mpa、抗压强度为1810mpa、塑性变形为8.0％。本实施例和实施例1比较，所得合金的屈服强度和硬度得到了提升，但塑性下降明显。
47.图5为本实施例所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的xrd图谱，表明该合金为双bcc相。
48.图6为本实施例所得(tivcr)
90
w
10
合金锭的dsc曲线，可以看出该合金在25
‑
1400℃范围内没有明显的吸放热峰，表明该合金在此温度范围内具有良好的热稳定性。
49.实施例3
50.本实施例的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金，成分为(tivcr)
85
w
15
(即ti、v、cr、w原子百分数分别为28.33at.％、28.33at.％、28.34at.％、15at.％)，制备步骤与实施例1相同，区别仅在于高熵合金熔炼电流为280a、每次熔炼时长为5min。
51.图7为本实施例所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的室温压缩应力应变曲线。经测试，本实施例所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的平均维氏硬度为505hv
1.0
，室温下屈服强度为1666mpa、抗压强度为2278mpa、塑性变形为13.3％。本实施例和实施例1比较，所得合金的力学性能明显提升。
52.图8为本实施例所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的xrd图谱，表明该合金为双bcc相。
53.图9为本实施例所得(tivcr)
85
w
15
合金锭的dsc曲线，可以看出该合金在25
‑
1400℃
范围内没有明显的吸放热峰，表明该合金在此温度范围内具有良好的热稳定性。
54.实施例4
55.本实施例的ti
‑
v
‑
cr
‑
w系难熔高熵合金，成分为(tivcr)
80
w
20
(即ti、v、cr、w原子百分数分别为26.67at.％、26.66at.％、26.67at.％、20at.％)，制备步骤与实施例1相同，区别仅在于高熵合金熔炼电流为280a、每次熔炼时长为8min。
56.图10为本实施例所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的室温压缩应力应变曲线。经测试，本实施例所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的平均维氏硬度为572hv
1.0
，室温下屈服强度为1798mpa、抗压强度为2227mpa、塑性变形为8.1％。本实施例和实施例1比较，所得合金的屈服强度和硬度得到了提升，但塑性下降明显。
57.图11为本实施例所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的xrd图谱，表明该合金为双bcc相。
58.图12为本实施例所得(tivcr)
80
w
20
合金锭的dsc曲线，可以看出该合金在25
‑
1400℃范围内没有明显的吸放热峰，表明该合金在此温度范围内具有良好的热稳定性。
59.以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。