一种高强高韧高熵合金及其制备方法与流程

1.本发明属于高熵合金技术领域，涉及一种具有高强高韧性能的高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.随着先进航空发动机涡轮前温度和推重比的不断提高，对涡轮叶片等热端部件的工作温度提出了更高的要求，传统材料及大部分超高温结构材料已不能满足设计要求。研制具有更高承温能力的新一代超高温结构材料迫在眉睫，是先进航空发动机研制中的一大关键任务。
3.nb-si基难熔合金具有熔点极高、密度较低、高温强度良好等优异的综合性能，是目前超高温结构材料研究领域的热点之一，其承温能力高(1200～1400℃)，是具有潜力的未来高性能燃气涡轮发动机用超高温结构材料。然而，相对于优异的高温强度，nb-si基合金的室温断裂韧性略显不足。在目前报道的大部分较好的研究结果中，多元nb-si基合金的室温断裂韧性为15～20mpa
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左右。可见，要实现nb-si基合金室温断裂韧性与高温强度的良好匹配还是极其困难的，这也是制约nb-si基超高温结构材料走向工程应用的主要障碍。
4.高熵合金是近年来在探索大块非晶合金的基础上发现的一类无序合金。其最典型的组织为多组元的超级固溶体，固溶强化效应异常强烈且存在极大的晶格畸变。这种独特的晶体结构使得高熵合金具有一些传统合金无法比拟的非常优异的性能，如高强度、高硬度、高室温韧性、高耐磨性、高耐腐蚀性、高电阻热阻以及优异的耐高温性能等。尤其是，高熵合金的断裂韧性明显优于其他合金。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：提供一种具有高强高韧性能的高熵合金及其制备方法，设计一类新型的以nb、ti、mo、v、hf(zr)为主要组元的高熵合金，并且还考虑添加合金化元素si，通过综合考虑元素熔点、原子半径、元素间混合焓等因素来对合金成分进行合理设计，并采用激光增材制造技术进行制备。
6.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
7.一方面，提供一种高强高韧高熵合金，高熵合金为nbtimovxsi合金，x为hf或者zr；
8.当si元素的原子百分比为0＜si≤6％，所述高熵合金为nbtimovxsi六元高熵合金；
9.高熵合金中nb元素的原子百分比为24.5～31％，ti元素的原子百分比为17.5～23％，mo元素的原子百分比为17～24.5％，v元素的原子百分比为15～19％，x元素的原子百分比为6.5～9％；
10.当si元素的原子百分比为6＜si≤20％，所述高熵合金为nbtimovx五元高熵合金，nb和si原位反应生成nb5si3高熔点增强相；
11.高熵合金中nb元素的原子百分比为18～28.5％，ti元素的原子百分比为13.5～20％，mo元素的原子百分比为13.5～21.5％，v元素的原子百分比为8.5～22％，x元素的原子百分比为8.5～18％。
12.在设计的合金中，除了si元素，其他几种元素之间的混合焓都非常小，不容易发生化学反应，这有利于形成多组元超级固溶体相；同时，合金中未添加ta、w等熔点过高的元素，降低了合金成分偏析的风险。其中，ti、v、zr元素能够与nb元素无限互溶，并能对合金起到韧化作用；mo、hf元素有较大的晶格畸变和固溶强化作用，可明显细化合金组织，改善高温强度、硬度和塑性。
13.添加si元素有两个作用：si元素含量小于0～6％时，设计生成nbtimovhf(zr)si六元高熵固溶体合金；si元素含量在6～20％时，设计获得nbtimovhf(zr)五元高熵固溶体基体，并促成在固溶体基体上析出nb5si3高熔点增强相。当si元素含量为6～20％时，目的是使si和部分nb元素之间发生反应，生成nb5si3金属间化合物。通过合理控制元素含量及合金凝固条件，可以有效避免si与其它元素间的反应，并且在多元nb-si基合金里，nb5si3金属间化合物往往是最容易生成的高熔点增强相。
14.另一方面，提供一种高强高韧高熵合金的制备方法，以纯nb、纯ti、纯mo、纯v、纯si和纯hf或纯zr粉末为原料，进行激光增材制造；
15.当si元素的原子百分比为0＜si≤6％，将各粉末混合均匀，采用单通道方式制备；
16.当si元素的原子百分比为6＜si≤20％，将纯si和一部分纯nb粉末按照质量比2:11～2:13混合均匀，将另一部分纯nb和纯ti、纯mo、纯v、纯x粉末混合均匀，采用双通道方式制备。
17.按照质量比2:11混合纯si和一部分纯nb粉末可以使si和nb的原子比正好为3:5，有利用直接生成nb5si3金属间化合物，若有多余的纯nb粉末可直接进入高熵合金基体。采用双通道同轴送粉方式，采用其中一个通道专门输送nb si混合粉末可以使si元素优先与nb元素发生化学反应，而避免其他金属元素之间的反应，这些都有利于高熵固溶体基体上nb5si3相的生成。
18.所述单通道方式制备工艺参数：
19.激光功率2100w～3200w，扫描速度550mm/min～900mm/min，光斑直径2.0mm～2.5mm，保护气流量10l/min～30l/min，送粉量为1350rpm～2550rpm，载粉器流量为7l/min～9l/min。
20.所述双通道方式制备工艺参数：
21.激光功率1800w～2700w，扫描速度400mm/min～750mm/min，光斑直径1.0mm～2.0mm，保护气流量10l/min～30l/min，送粉量为1200rpm～2000rpm，载粉器流量为6l/min～8l/min。
22.本发明的有益效果是：
23.本发明设计合金并通过增材制造形成具有良好韧性和强度的多组元高熵固溶体基体相，并生成高温下热动力学稳定的nb5si3金属间化合物增强相，这样可以充分发挥材料的性能优势，实现高温强度与室温韧性的良好匹配。
24.根据si元素添加量的不同促成nbtimovhf(zr)si六元高熵固溶体相的形成(si元素原子百分比为0＜si≤6％)，或者促进在nbtimovhf(zr)五元高熵固溶体基体上析出
nb5si3金属间化合物作为增强相(si元素的原子百分比为6＜si≤20％)，从而获得良好室温韧性和高温强度兼备的超高温结构材料。
25.添加si元素有两个作用：si元素含量小于6at.％时，设计生成nbtimovhf(zr)si六元高熵固溶体合金；si元素含量在6～20at.％时，设计获得nbtimovhf(zr)五元高熵固溶体基体，并促成在固溶体基体上析出nb5si3高熔点增强相。
26.采用激光增材制造技术制备本发明的高熵合金具有以下优势：1)极快的冷却凝固速度可以有效抑制原子扩散和复杂相的形成，利于多元固溶体和细小晶粒的产生，同时可消除成分偏析和组织不均匀；2)可以避免熔炼和浇铸难熔金属元素带来的型壳要求耐高温技术问题，并避免电极、坩埚等对高活性合金熔体的污染；3)可以采用纯金属粉末进行原位反应制备高熵合金；4)便于制备复杂形状构件。
具体实施方式
27.在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
28.实施例1：
29.(1)设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：28.5％，ti：15.5％，mo：20％，v：9％，hf：15％，si：12％。
30.(2)按照设计的成分，分别将nb ti mo v hf和nb si粉末混合均匀，将nb ti mo v hf混合粉末和nb si混合粉末分别置于激光增材制造设备的两个同步送粉器中，采用ti-6al-4v合金作为激光增材制造的基板材料，先在其上预沉积厚度约为0.5mm的nb si层，以减小界面应力和基板材料对沉积合金的影响；按照所需制备合金的具体化学成分调节激光增材制造参数，使nb ti mo v hf粉末和nb si粉末在基板上原位反应，形成块体高熵合金。制备参数为：激光功率2000w，扫描速度450mm/min，光斑直径1.5mm，保护气流量20l/min，送粉量为1400rpm，载粉器流量为6l/min。
31.实施例2：
32.(1)设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：26.5％，ti：22％，mo：22.5％，v：16.5％，hf：7％，si：5.5％。
33.(2)按照设计的成分，将nb ti mo v hf si六种元素粉末混合均匀，装入激光增材制造设备的单通道送粉器中。采用ti-6al-4v合金作为激光增材制造的基板材料，进行高熵合金制备。制备参数为：激光功率2800w，扫描速度750mm/min，光斑直径2.0mm，保护气流量20l/min，送粉量为1700rpm，载粉器流量为7l/min。
34.实施例3：
35.与实施例1不同的是，设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：18％，ti：18％，mo：18％，v：18％，hf：18％，si：10％。激光功率2100w，扫描速度500mm/min，光斑直径1.0mm，保护气流量30l/min，送粉量为1200rpm，载粉器流量为8l/min。
36.实施例4：
37.与实施例1不同的是，设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：23％，ti：17％，mo：21％，v：16％，zr：13％，si：10％。激光功率2400w，扫描速度550mm/min，光斑直径2.0mm，保护气流量15l/min，送粉量为1600rpm，载粉器流量为6l/min。
38.实施例5：
39.与实施例2不同的是，设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：29％，ti：23％，mo：19％，v：15％，zr：9％，si：5％。激光功率3000w，扫描速度900mm/min，光斑直径2.5mm，保护气流量30l/min，送粉量为2200rpm，载粉器流量为9l/min。
40.实施例6：
41.与实施例1不同的是，设计的高熵合金各元素的原子百分比为：nb：24.5％，ti：16％，mo：16％，v：22％，zr：11.5％，si：10％。激光功率2500w，扫描速度700mm/min，光斑直径2.0mm，保护气流量10l/min，送粉量为1200rpm，载粉器流量为6l/min。
42.对上述6个实施例制备的试样进行力学性能测试，测试结果如表1所示：
43.表1
[0044][0045]
通过表1中数据可以看到，采用本发明技术方案设计制备的高熵合金具有较好的强度、塑性和韧性，尤其是nbtimovhf(zr)五元高熵固溶体基体 nb5si3高熔点增强相的材料，兼具有优异的高温强度和室温韧性。