阅读说明：本技术 一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金 (Light super-tough high-strength NbTiVAlxZry as-cast high-entropy alloy ) 是由 汪涛 许金亮 陆永发 张陕南 王春雨 未文超 于 2018-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金,所述轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金,其中Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为：1.0：1.0：1.0：0.2～0.3：0.4～0.5。制备工艺如下：选用纯度高于99.0wt.%的Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素作为原料进行配料,选用能量束熔炼技术或感应熔炼技术制备该铸态高熵合金。本发明所述高熵合金组织均匀,表现出优异的综合力学性能,具有较高的强度和较大的塑性,其屈服强度为1062MPa～1469MPa,抗压强度为1371MPa～1993MPa,断裂应变35%～57%,密度为6.15g·cm<Sup>-3</Sup>～6.25g·cm<Sup>-3</Sup>,应用前景广阔。(The invention discloses a light super-tough high-strength NbTiVAlxZry as-cast high-entropy alloy, which is characterized in that Nb: ti: v: al: the mol ratio of Zr is as follows: 1.0: 1.0: 1.0: 0.2-0.3: 0.4 to 0.5. The preparation process comprises the following steps: five elements of Nb, Ti, V, Al and Zr with the purity higher than 99.0wt.% are selected as raw materials to be mixed, and an energy beam melting technology or an induction melting technology is selected to prepare the as-cast high-entropy alloy. The high-entropy alloy has uniform structure, excellent comprehensive mechanical property, higher strength and larger plasticity, the yield strength is 1062-1469 MPa, the compressive strength is 1371-1993 MPa, the fracture strain is 35-57%, and the density is 6.15 g.cm ‑3 ～6.25g•cm ‑3 And the application prospect is wide.)

一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备领域，提供了一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金。

背景技术

高熵合金是一种超级固溶体合金，一般由五种及以上金属或非金属元素以等比或近等原子比的方式组合而成。为了突破研究的限制，学者们将高熵合金的定义扩延到合金内每种主元在体系中所占比例可以在5at.%-35at.%之间。区别于传统合金，高熵合金中的任何一种元素都不能成为合金体系的主导元素，整个合金的特性是多种元素共同领导的结果；传统合金设计理念认为，合金组元数越多，越容易形成脆性金属间化合物等复杂相，阻碍合金研究，限制合金运用，而大量实验表明：高熵合金的晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及“鸡尾酒”效应使得合金集高强度、高硬度、高耐磨和耐蚀性于一身，综合力学性能优异；高熵合金的成分设计更加灵活，可以实现对材料密度、力学性能及能量特性的调控，以满足不同使用条件下对高强高韧结构材料的需求。

Nb-Ti-V-Al-Zr是俄罗斯Stepanov N D教授团队提出的一种新型轻质高熵合金体系，旨在兼顾高熵合金优异力学性能的同时，降低其密度，使它们能够被运用到更广泛的领域。Stepanov N D将Al引入NbTiVZr高熵合金中，设计出NbTiVZrAlx(x=0,0.5,1.0,1.5)高熵合金并发现当Al含量超过0.5时，室温下合金的强度仅略有增加（Al0.5NbTiVZr的断裂强度为1100MPa，Al1.5NbTiVZr的断裂强度为1310MPa），但是塑性显著降低（Al0.5NbTiVZr的塑性应变仅为4%），甚至完全丧失（Al1.5NbTiVZr无塑性应变）【Stepanov N D, YurchenkoN Y, Shaysultanov D G, et al. Effect of Al on structure and mechanicalproperties of AlxNbTiVZr(x=0,0.5,1,1.5) high entropy alloys[J]. MaterialsScience and Technology, 2015, 31(10): 1184-1193.】。

N.Yu.Yurchenko等人系统研究了AlNbTiVZrx(x=0,0.1,0.25,0.5,1.0,1.5)高熵合金，并经1200℃均匀化退火24h后，发现该系列大部分成分合金在压缩应变低于15%时就出现断裂现象，表现出较差的室温塑性【Yurchenko N Y, Stepanov N D, Zherebtsov SV, et al. Structure and mechanical properties of B2 ordered refractoryAlNbTiVZrx (x=0–1.5) high-entropy alloys[J]. Materials Science andEngineering: A, 2017, 704: 82-90.】。

综上，纵使目前所研发的合金室温强度优异，但塑韧性性能均较差，塑性成形难，限制了它们作为高强高韧结构材料的实际运用。

发明内容

针对现有Nb-Ti-V-Al-Zr轻质高熵合金室温下存在强塑韧性配合较差的问题，本发明的目的在于提供一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金，其中，Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比分别为1.0：1.0：1.0：0.2～0.3：0.4～0.5。

优选的，当Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比分别为1.0：1.0：1.0： 0.3： 0.5时，所述合金以BCC结构相为主相，以有序B2结构相为辅相。

优选的，当Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比分别为1.0：1.0：1.0： 0.2：0.4~0.5时，所述合金以BCC结构相为单相。

优选的，当Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比分别为1.0：1.0：1.0：0.3：0.4时，所述合金以BCC结构相为单相。

上述NbTiVAlxZry铸态高熵合金的制备方法，包括：

步骤一，选用Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素作为原料进行配料；

步骤二，去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并清洗烘干备用；

步骤三，经熔炼得到所述的NbTiVAlxZry铸态高熵合金。

进一步的，步骤一中，金属原料纯度均高于99.0wt.%。

进一步的，步骤三中，采用能量束熔炼技术或感应熔炼技术熔炼得到所述的NbTiVAlxZry铸态高熵合金。

上述NbTiVAlxZry铸态高熵合金作为轻质或/和超韧或/和高强结构材料的应用。

进一步的，所述的轻质结构材料为不大于7g/cm³的材料。

进一步的，所述的高强结构材料为强度大于1000MPa的材料。

进一步的，所述的超韧结构材料为压缩断裂应变不小于35%的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过同时改变Al和Zr成分含量，解决了Nb-Ti-V-Al-Zr轻质高熵合金室温下强塑韧性配合较差的问题，所制备出的高熵合金组织均匀，表现出优异的综合力学性能，具有较高的强度和较大的塑性，其屈服强度为1062MPa～1469MPa，抗压强度为1371MPa～1993MPa，断裂应变35%～57%，密度为6.15g•cm^-3～6.25g•cm^-3；当所述高熵合金中，Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为：1.0：1.0：1.0：0.3：0.4时，所述高熵合金的屈服强度为1284MPa，抗压强度为1785 MPa，断裂应变为56.37%；Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为：1.0：1.0：1.0：0.3：0.5时，所述高熵合金的屈服强度为1469MPa，抗压强度为1993 MPa，断裂应变为39.12%，应用前景广阔。

附图说明

图1为铸态NbTiVAlxZry高熵合金的X射线衍射(XRD)谱图。

图2为铸态NbTiVAlxZry高熵合金的室温准静态压缩工程应力-应变曲线。

图3为铸态NbTiVAlxZry高熵合金的压缩断口形貌，其中，a-实施例三，b-实施例一，c-实施例二，d-实施例四。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明：

实施例一

一种轻质超韧高强NbTiVAl0.2Zr0.4铸态高熵合金

步骤1、选用Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度高于99.0wt.%。

步骤2、所述合金的Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：0.2：0.4，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化成各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Nb)=39.78%、wt(Ti)=20.49%、wt(V)=21.81%、wt(Al)=2.31%和wt(Zr)=15.62%,并以制备合金总质量30g进行各元素配料。

步骤3、利用机械和化学相结合的方法去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并清洗烘干备用，即利用砂纸打磨去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并利用有机溶液超声清洗，随后烘干备用。

步骤4、将所有金属原料以熔点由低到高放置于水冷铜坩埚中。

步骤5、关闭炉门，用真空泵和分子泵将炉内抽真空，随即充入高纯氩气作为保护气体。

步骤6、在高纯氩气氛围下引弧熔炼，为尽量降低合金的氧化，在正式熔炼前，会在炉内预熔炼高纯钛以降低炉内残余氧气。正式熔炼时控制电流强度同时开启磁力搅拌并小幅度摇动钨极棒，单次熔炼时间均控制在2分钟以上并反复熔炼多次，待合金液冷却形成铸锭。

图1中Al0.2Zr0.4即为实施例NbTiVAl0.2Zr0.4铸态高熵合金的XRD图谱，由图中看出该合金为单相BCC结构；根据GB/T 7314-2017 金属材料室温压缩试验方法的相关要求，实施室温压缩实验，实验中的压缩加载速率为0.36mm/min，图2中Al0.2Zr0.4曲线即为实施例NbTiVAl0.2Zr0.4高熵合金的室温压缩工程应力应变曲线，该合金的屈服强度为1062MPa，抗压强度为1371MPa，断裂应变为37.35%，密度为6.24g•cm^-3；实验过程中所述合金被“礅粗”得很严重，但没有完全断裂成两半，图3（b）为实施例NbTiVAl0.2Zr0.4铸态高熵合金在SEM下的压缩断口形貌，图中发现了大量较小的韧窝，韧窝深度较浅，有些韧窝还被“拉长”，有些在沿断裂面滑移时被摩擦湮灭，留下光滑面，说明该合金体现出较好的塑性。

实施例二

一种轻质超韧高强NbTiVAl0.2Zr0.5铸态高熵合金

步骤1、选用Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度高于99.0wt.%。

步骤2、所述合金的Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：0.2：0.5，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化成各元素质量占合金总质量的百分数分别为

wt(Nb)= 38.28%、wt(Ti)= 19.72%、wt(V)= 20.99%、wt(Al)= 2.22%和wt(Zr)=18.79%,并以制备合金总质量进行各元素配料。

步骤3、利用机械和化学相结合的方法去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并清洗烘干备用。

步骤4、将所有金属原料以熔点由低到高放置于水冷铜坩埚中。

步骤5、关闭炉门，用真空泵和分子泵将炉内抽真空，随即充入高纯氩气作为保护气体。

步骤6、在高纯氩气氛围下引弧熔炼，为尽量降低合金的氧化，在正式熔炼前，会在炉内预熔炼高纯钛以降低炉内残余氧气。正式熔炼时控制电流强度同时开启磁力搅拌并小幅度摇动钨极棒，单次熔炼时间均控制在2分钟以上并反复熔炼多次，待合金液冷却形成铸锭。

图1中Al0.2Zr0.5即为实施例NbTiVAl0.2Zr0.5铸态高熵合金的XRD图谱，由图中看出该合金为单相BCC结构；根据GB/T 7314-2017 金属材料室温压缩试验方法的相关要求，实施室温压缩实验，实验中的压缩加载速率为0.36mm/min，图2中Al0.2Zr0.5曲线即为实施例NbTiVAl0.2Zr0.5铸态高熵合金的室温压缩工程应力应变曲线，该合金的屈服强度为1126MPa，抗压强度为1438MPa，断裂应变为35.28%，密度为6.25g•cm^-3；实验过程中所述合金被“礅粗”得很严重，但没有完全断裂成两半，图3（c）为实施例NbTiVAl0.2Zr0.5铸态高熵合金在SEM下的压缩断口形貌，图中发现了大量较小的韧窝，韧窝深度较浅，有些韧窝还被“拉长”，有些在沿断裂面滑移时被摩擦湮灭，留下光滑面，说明该合金体现出较好的塑性。

实施例三

一种轻质超韧高强NbTiVAl0.3Zr0.4铸态高熵合金

步骤1、选用Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度高于99.0wt.%。

步骤2、所述合金的Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：0.3：0.4，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化成各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Nb)=39.32%、wt(Ti)=20.26%、wt(V)=21.56%、wt(Al)=3.42%和wt(Zr)=15.44%,并以制备合金总质量进行各元素配料。

步骤3、利用机械和化学相结合的方法去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并清洗烘干备用。

步骤4、将所有金属原料以熔点由低到高放置于水冷铜坩埚中。

步骤5、关闭炉门，用真空泵和分子泵将炉内抽真空，随即充入高纯氩气作为保护气体。

步骤6、在高纯氩气氛围下引弧熔炼，为尽量降低合金的氧化，在正式熔炼前，会在炉内预熔炼高纯钛以降低炉内残余氧气。正式熔炼时控制电流强度同时开启磁力搅拌并小幅度摇动钨极棒，单次熔炼时间均控制在2分钟以上并反复熔炼多次，待合金液冷却形成铸锭。

图1中Al0.3Zr0.4即为实施例NbTiVAl0.3Zr0.4铸态高熵合金的XRD图谱，由图中看出该合金为单相BCC结构；根据GB/T 7314-2017 金属材料室温压缩试验方法的相关要求，实施室温压缩实验，实验中的压缩加载速率为0.36mm/min，图2中Al0.3Zr0.4曲线即为实施例NbTiVAl0.3Zr0.4铸态高熵合金的室温压缩工程应力应变曲线，该合金的屈服强度为1284MPa，抗压强度为1785MPa，断裂应变为56.37%，密度为6.15g•cm^-3；实验过程中所述合金被“礅粗”得很严重，但没有完全断裂成两半，图3（a）为实施例NbTiVAl0.3Zr0.4铸态高熵合金在SEM下的压缩断口形貌，由于塑性极佳，断口处也被挤压在一起。

实施例四

一种轻质超韧高强NbTiVAl0.3Zr0.5铸态高熵合金

步骤1、选用Nb、Ti、V、Al、Zr五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度高于99.0wt.%。

步骤2、所述合金的Nb：Ti：V：Al：Zr的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：0.3：0.5，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化成各元素质量占合金总质量的百分数分别为

wt(Nb)= 37.86%、wt(Ti)= 19.50%、wt(V)= 20.76%、wt(Al)= 3.29%和wt(Zr)=20.76%,并以制备合金总质量进行各元素配料。

步骤3、利用机械和化学相结合的方法去除原料金属Nb、Ti、V、Al、Zr的表面氧化皮，并清洗烘干备用。

步骤4、将所有金属原料以熔点由低到高放置于水冷铜坩埚中。

步骤5、关闭炉门，用真空泵和分子泵将炉内抽真空，随即充入高纯氩气作为保护气体。

步骤6、在高纯氩气氛围下引弧熔炼，为尽量降低合金的氧化，在正式熔炼前，会在炉内预熔炼高纯钛以降低炉内残余氧气。正式熔炼时控制电流强度同时开启磁力搅拌并小幅度摇动钨极棒，单次熔炼时间均控制在2分钟以上并反复熔炼多次，待合金液冷却形成铸锭。

图1中Al0.3Zr0.5即为实施例NbTiVAl0.3Zr0.5铸态高熵合金的XRD图谱，由图中看出该合金内除BCC结构相外还存在少量的有序BCC结构相；根据GB/T 7314-2017 金属材料室温压缩试验方法的相关要求，实施室温压缩实验，实验中的压缩加载速率为0.36mm/min，图2中Al0.3Zr0.5曲线即为实施例NbTiVAl0.3Zr0.5铸态高熵合金的室温压缩工程应力应变曲线，该合金的屈服强度为1469MPa，抗压强度为1993MPa，断裂应变为39.12%，密度为6.16g•cm^-3；实验过程中所述合金被“礅粗”得很严重，但没有完全断裂成两半，图3（d）为实施例NbTiVAl0.3Zr0.5铸态合金在SEM下的压缩断口形貌，图中发现了大量韧窝，韧窝大而深，说明该合金体现出更好的塑性。

上述仅为本发明较佳可行的实施例，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。