一种MoxNbTayTiV高熵合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种MoxNbTayTiV高熵合金及其制备方法 (MoxNbTayTiV high-entropy alloy and preparation method thereof ) 是由 付华萌 葛绍璠 张海峰 朱正旺 张龙 李正坤 李宏 王爱民 张宏伟 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Mo-(x)NbTa-(y)TiV高熵合金及其制备方法用,属于高熵合金材料技术领域；该合金由Mo、Nb、Ta、Ti、V五种元素组成,按照摩尔比计,合金成分为：0.05-0.95Mo,0.05-0.95Ta,0.9-1.2Nb,0.9-1.2Ti,0.9-1.2V。该合金通过真空电弧熔炼制成母合金锭后,利用真空吸铸模具制备成棒状样品。并在1200℃、150MPa高纯氩气下热等静压2小时。所述高熵合金的组织结构是双相体心立方结构中析出氮化物沉淀相。与传统金属相比,在高温下具有高硬度、高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等优良的性能。(The invention discloses Mo x NbTa y The TiV high-entropy alloy and the preparation method thereof belong to the technical field of high-entropy alloy materials; the alloy consists of five elements of Mo, Nb, Ta, Ti and V, and comprises the following components in molar ratio: 0.05-0.95Mo, 0.05-0.95Ta, 0.9-1.2Nb, 0.9-1.2Ti and 0.9-1.2V. After the alloy is prepared into a master alloy ingot through vacuum arc melting, a rod-shaped sample is prepared by utilizing a vacuum suction casting mould. And hot isostatic pressing at 1200 ℃ for 2 hours under 150MPa of high-purity argon. The microstructure of the high-entropy alloy is a precipitated nitride phase in a double-phase body-centered cubic structure. Compared with the traditional metal, the alloy has excellent performances of high hardness, high strength, high wear resistance, high corrosion resistance and the like at high temperature.)
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种MoxNbTayTiV高熵合金和制备方法。
背景技术
传统的金属材料是某一种(或两种)元素为主要组元，其他各元素少量或者微量添加所组成的合金体系，高熵合金为近年来热门发展的一类新型合金，其与传统合金最显著的区别在于高熵合金则打破了这种设计思路，多组元近似等摩尔比的高混合熵合金，能够形成简单结构的单相固溶体，而其以高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应、鸡尾酒效应四大核心效应为基础，进而设计出具有多种出色性能的材料，这些效应使得高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高热阻、良好的耐腐蚀性及抗蠕变性能等优点。
美国空军研究实验室的Senkov等人首先于2010年报道了难熔高熵合金，它主要由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等难熔金属元素组成，具有高温下的高强度和高耐化学腐蚀性等优异性能，在航空工业，航天工程，发动机制造，化学加工和核电站等领域的具有广泛应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MoxNbTayTiV高熵合金及其制备方法，该高熵合金在常温和高温下都有良好的强度和塑性，且耐多种环境腐蚀性极好，在工作温度范围跨度较大的、情况复杂的条件下有较为广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种MoxNbTayTiV高熵合金，由Mo、Nb、Ta、Ti和V五种元素组成，该合金化学式为：MoxNbTayTiV，x＝0.05-0.95，y＝0.05-0.95。
该合金按照摩尔比计的化学成分：Mo 0.05-0.95，Nb 0.9-1.2，Ta 0.05-0.95，Ti0.9-1.2，V 0.9-1.2。
该合金按照摩尔比计优选的化学成分为：Mo 0.75，Nb 1，Ta 1，Ti 1，V 1。
该高熵合金的组织结构为两种体心立方结构为主体，并部分伴有晶界析出面心立方结构的氮化物沉淀相；该合金与传统金属材料相比，在高温下具有高硬度、高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等优良的性能。
该高熵合金随着Mo含量的增加或Ta含量的降低，合金屈服强度总体为上升趋势，延伸率为下降趋势。
所述MoxNbTayTiV高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料：根据高熵合金中各元素的摩尔比计算并精确称量Mo、Nb、Ta、Ti和V元素原料；各元素采用的Mo、Nb、Ta、Ti和V金属单质原料的纯度不低于99.5％。各元素原料使用前，先用机械及化学方法去除Mo、Nb、Ta、Ti和V纯金属单质原料表面氧化皮，然后分别依次在蒸馏水和无水乙醇中超声清洗。
(2)母合金熔炼：将步骤(1)称量的各元素原料按照熔点由低到高从下至上依次放置在铜坩埚中；将炉腔抽真空抽至3.5×10-3Pa，再通入纯度为99.99wt.％的高纯氩气作为保护气体，直至炉内压强至0.3MPa停止充气；开始熔炼时，首先将炉内Ti锭熔炼3分钟，通过熔融纯钛吸收残余空气中的氧气与氮气，再熔炼铜坩埚中的其他金属单质原料；原料全部熔化形成合金后，待其冷却，使用机械手臂将合金锭翻转，再次熔炼，并打开磁搅拌，熔炼电流为300～500A，磁搅拌电流10A，重复4次最终得到母合金锭；
(3)铜模浇铸：将熔炼好的母合金锭置于吸铸系统的铜坩埚中，下方放置孔径为8～12mm的铜模具；炉腔真空抽至3.5×10-3Pa后充高纯氩气至300～400mbar；首先以350A电流将母合金锭顶部熔化，待形成一定量的熔池后以500～800A电流将合金锭快速完全熔化使之流入铜模中；待其冷却，得到组织均匀的合金。
(4)热等静压处理：将步骤(3)所得合金样品由石英砂包裹，置于大型石墨坩埚内，外层加热介质为钼丝炉，缸内气氛为高纯氩气；热等静压温度为1200℃，压力为150MPa，升温速率10℃/min，保压时间2小时，自然降温。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明通过调整Mo-Nb-Ta-Ti-V五元合金内Mo和Ta的含量，从强度和塑性两个方向提高合金的综合性能，并通过热等静压工艺使合金的缺陷减少，使强度和塑性进一步提高。
附图说明
图1是MoxNbTayTiV高熵合金的XRD图谱；其中：(a)为铸态下XRD图谱；(b)为热等静压后XRD图谱。
图2是铸态MoxNbTayTiV高熵合金的微观组织图。
图3是热等静压处理后MoxNbTayTiV高熵合金的微观组织图。
图4是铸态MoxNbTayTiV高熵合金在常温下的压缩应力应变曲线。
图5是热等静压后MoxNbTayTiV高熵合金在常温下的压缩应力应变曲线。
图6是热等静压前后MoxNbTayTiV高熵合金的屈服强度和抗压强度的比较。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
实施例1：
本实施例为MoxNbTayTiV高熵合金的制备，，其中，Mo、Nb、Ta、Ti、V的摩尔比为x：1：y：1：1，x＝0.25、0.5、0.75、1，y＝0.25、0.5、0.75、1，具体制备过程步骤如下：
步骤1：配料，用机械及化学方法去除Mo、Nb、Ta、Ti和V纯固态原料表面氧化皮，并先加入蒸馏水后加入无水乙醇中分别超声清洗；根据摩尔百分比计算并精确称量Mo、Nb、Ta、Ti和V原料
步骤2：母合金熔炼，将步骤1所述金属原料按照熔点由低到高从下至上依次放置在铜坩埚中。将炉腔抽真空抽至3.5×10-3Pa，再通入纯度为99.99wt.％的高纯氩气作为保护气体，直至炉内压强至0.3MPa停止充气。开始熔炼时，首先将炉内Ti锭熔炼3分钟，通过熔融纯钛吸收残余空气中的氧气与氮气，再熔炼铜坩埚中的单质原料。原料全部熔化形成合金后，待其冷却，使用机械手臂将合金锭翻转，再次熔炼，并打开磁搅拌，熔炼电流为300～500A，磁搅拌电流10A，重复4次最终得到母合金锭。
步骤3：铜模浇铸。将熔炼好的母合金置于吸铸系统的铜坩埚中，下方放置圆孔孔径为8～12mm的铜模具。炉腔真空抽至3.5×10-3Pa后充高纯氩气至300～400mbar。首先以350A电流将母合金锭顶部熔化，待形成一定量的熔池后以500～800A电流将合金锭快速完全熔化使之流入铜模中。待其冷却，得到组织均匀的合金。
步骤4：热等静压处理。样品由石英砂包裹，置于大型石墨坩埚内，外层加热介质为钼丝炉，缸内气氛为高纯氩气。处理条件为1200℃、150MPa，升温速率10℃/min，保压时间2小时，自然降温。
对所制备的合金进行组织结构及性能测试，具体如下：
1、采用XRD、MiniFlex 600、Rigaku进行物相分析
从所述高熵合金圆棒中延轴向切取2mm×8mm×9mm的片状试样，采用1000目砂纸打磨后测试，X射线源为CuKα射线，扫描范围20°～90°，扫描速度20°/min，即扫描步长0.05sec/step。
XRD图谱如图1所示，从图中可以判断，基体为体心立方结构(BCC1)，并存在少量的体心立方结构的第二相BCC2，以及在高Mo含量的合金中存在少量FCC结构的氮化物。热等静压处理前后材料晶体结构无显著变化，热等静压处理后，BCC2相及FCC相所对应峰强增强，说明含量增大。BCC1相半峰宽无明显变化，BCC2相半峰宽变窄，说明BCC2相晶粒长大。
2、采用Tescan Mira 4扫描电子显微镜进行微观组织观察
从所述高熵合金圆棒中延轴向切取2mm×8mm×9mm的片状试样，先后采用砂纸、金刚石研磨膏和氧化铝抛光液打磨抛光，采用扫描电子的背散射探头观察样品。
如图2所示，铸态合金呈典型成分偏析结构，由白亮的树枝晶结构(BCC1)和深色的枝晶间结构(BCC2)组成，结合XRD图谱结果可知，材料中占据主要地位的为BCC1相，晶粒较为细小致密。但晶粒间存在大量气孔。
如图3所示，经过热等静压处理后样品Ta1Mo0.75，Ta1Mo0.5，Ta1Mo0.25深色枝晶间区域显著增大，即BCC2相晶粒长大。高温高压下晶间气孔消失。而在Ta0.25Mo1，Ta0.5Mo1，Ta1Mo0.75中深色枝晶间相则出现团聚现象且FCC结构的TiN相在枝晶间大量出现。
3、采用Gleeble 3800进行不同温度准静态压缩试验
从所述高熵合金圆棒中延轴向使用线切割切取直径为6mm的圆棒，使用无心磨打磨后切为直径为6mm高度9mm的圆柱状压缩样品。应变速率为1×10-3，测试采用3个平行样品。
结果如图4和图5所示。从延伸率上看，经过热等静压后材料的塑性有所降低。这是由于晶粒长大、低熔点元素偏聚以及第二相出现导致。从图6所示的强度上看，铸态下较低屈服强度的成分(Mo含量较少)屈服强度有所提升而较高屈服强度的成分(Mo含量较高)则出现了屈服强度的下降。同时，抗压强度的结果相类似，低屈服强度的成分(Ta1Mo0.5，Ta1Mo0.25)抗压强度都得到了提高。
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