一种轻质高熵合金及其制备方法

1.本发明涉及高熵合金技术领域，具体涉及一种轻质高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.轻质合金是指以钛合金、镁合金和铝合金为代表的一类密度低于6g/cm3的合金，由于其密度较低且具有一定的强度，因此具有不逊于一般钢铁的比强度，在国防和民生等各个领域均有大量的使用场景。高熵合金是指四种或以上元素为主元(摩尔比＞5％)的一类合金，其在元素的组成上突破了传统合金的框架，同时存在高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应等优良特性。
3.轻质高熵合金是指密度低于6g/cm3的高熵合金，轻质高熵合金是近些年的研究热点，有根据其晶格畸变效应研究高温性能的；有根据其迟滞扩散效应研究化学性能的；不过主要还是研究获得高强度高硬度的新型合金，从而取代部分的轻质合金使用。目前对于轻质高熵合金的研究集中在以mg、al为基础，添加v、mn、ti等轻质元素组成合金，其密度一般在2g/cm
3-4g/cm3，强度约在300mpa-800mpa，特点是比强度较钛、铝、镁合金更高，可到达220-250mpa*cm3/g，然而上述的轻质高熵合金压缩应变多在10-30％之间，过多的金属间化合物导致其塑性较差，从而严重限制了其应用。除了上述研究外，部分研究人员也以al、co、cr等元素为基础，添加fe、ni、ti等元素合成了一类密度在6g/cm
3-7g/cm3的高熵合金，其特点是强度硬度与合金钢接近，而密度略低于合金钢，同时具有一定的塑性，以期在航空航天和国防等领域替代一般的钢制结构和防护结构使用，然而其存在的问题是比强度提升不够高，减重优势不明显等。基于上述研究现状，目前需要得到一种更低密度更高强度硬度且具备一定塑性的新型高熵合金，从而在大量的场景中替代钛合金和合金钢来使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中存在的轻质高熵合金的比强度比硬度不够高和塑性较差的问题，提供一种轻质高熵合金及其制备方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种轻质高熵合金，所述合金组成为tiaalbcrcfed，所述合金由ti、al、cr、fe四种元素组成，所述a、b、c、d分别表示ti、al、cr、fe四种元素的原子百分比，所述a为60～80％，b为10～20％，c为5～15％，d为1～10％，所述a、b、c、d之和为100，其中b＞c≥d；所述合金为bcc固溶体单相。
6.本发明同时提供上述轻质高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、按照ti、al、cr、fe四种元素的原子百分比，称取单质ti、al、cr、fe金属颗粒；
8.s2、根据熔点由低到高的顺序，将al、fe、ti、cr金属颗粒依次放入真空熔炼炉中熔炼，完全熔化并混合均匀后，保温后冷却，得到铸锭；
9.s3、将铸锭翻面进行二次熔炼，保温后冷却；重复二次熔炼步骤4次，即制备得到轻质高熵合金。
10.优选地，所述s1中，称取前先用无水乙醇对单质ti、al、cr、fe金属颗粒进行超声波
冲洗。
11.优选地，所述s2中，熔炼前先对真空熔炼炉炉内进行洗气操作：先将炉内抽真空，待真空度＜9.9*10-4
pa后冲入纯度为99.9％的氩气，当炉内压强达到-0.5mpa时停止充气；静置10-20分钟后，重复洗气操作一次。
12.优选地，所述熔炼和二次熔炼的保温时间均为15s。
13.优选地，所述熔炼和二次熔炼的时间均为3min。
14.优选地，所述熔炼和二次熔炼时，熔炼炉的熔炼电流为25a，熔炼电压为300v。
15.本发明所具有的有益效果：
16.(一)本发明以ti为基础，在其中添加al、fe和cr作为主元素，形成轻质高熵合金tiaalbcrcfed；该合金密度在4.3-4.8g/cm3之间，通过组织观察和力学性能测试，其组织为bcc相，室温下压缩屈服强度在1.22-1.55gpa，断裂应变大于32％，硬度在405-490hv，比强度在260-336mpa*cm3/g，比硬度在87.3-106hv*cm3/g；本发明的轻质高熵合金与传统轻质合金的tc4相比，其密度基本保持不变，压缩屈服强度提升37％，硬度提升约43％，同时仍然保持较好的塑性变形能力，因此本发明的tiaalbcrcfed轻质高熵合金具有远超一般轻质合金的比强度和比硬度，同时具备一定塑性；
17.(二)本发明中轻质高熵合金tiaalbcrcfed的制备方法简单，铸造过程成型效率高，在航空航天和军事装甲领域具有广泛的应用前景。
附图说明
18.图1为轻质高熵合金ti70al15cr10fe5的x射线衍射图；
19.图2为轻质高熵合金ti70al15cr10fe5的sem微观组织图；
20.图3为轻质高熵合金ti70al15cr10fe5的室温准静态压缩应力应变曲线；
21.图4为轻质高熵合金ti70al15cr10fe5的硬度测试结果。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
23.实施例1
24.1.本实施例制备的合金为ti70al15cr10fe5，根据合金ti70al15cr10fe5中ti、al、cr、fe四种金属的原子摩尔比称取相应质量的ti、al、cr、fe金属单质。按照原料的熔点从低到高，即al、fe、ti、cr的顺序，将四种金属单质依次放入非自耗真空悬浮熔炼炉的铜坩埚之内。
25.2.关闭炉门，对真空熔炼炉炉体进行洗气操作：先将炉内抽真空，待真空度＜9.9*10-4
pa后冲入纯度为99.9％的氩气，当炉内压强达到-0.5mpa时停止充气；静置10-20分钟后，进行第二次抽真空洗气操作。
26.3.设置熔炼炉的熔炼电流为25a，熔炼电压为300v，开始熔炼至炉内金属完全熔化并混合均匀，保温15s后冷却，得到铸锭；将铸锭翻面进行二次熔炼，保温15s后冷却；重复二次熔炼的步骤4次，即总共熔炼5次，每次熔炼时间为3min。熔炼结束后，待合金冷却，取出铸锭，即制备得到轻质高熵合金ti70al15cr10fe5。
27.对铸锭进行切割取样，首先用阿基米德排水法，测得该合金密度为4.61g/cm3，然
后进行xrd和sem测试观察，结果分别如图1和2所示；同时进行准静态压缩和硬度测试，结果分别如图3和4所示。xrd测试结果表明，ti70al15cr10fe5轻质高熵合金为bcc单相；在sem图像中可观察到大尺寸等轴状的bcc相。力学性能测试结果表明ti70al15cr10fe5轻质高熵合金的压缩屈服强度为1350mpa，压缩应变＞60％，硬度为450hv左右。通过计算可知该合金比强度约为292mpa*cm3/g，比硬度约为97.5hv*cm3/g。
28.实施例2
29.本实施例制备的合金为ti60al20cr10fe10，制备方法为与实施例1的制备方法一致，区别在于根据合金ti60al20cr10fe10中ti、al、cr、fe四种金属的原子摩尔比称取相应质量的ti、al、cr、fe金属单质作为原料。
30.采用阿基米德排水法对本实施例制备得到的ti60al20cr10fe10轻质高熵合金进行密度测试，测得其密度为4.62g/cm3，然后对其进行准静态压缩和硬度测试。结果表明：该合金压缩屈服强度为1550mpa，压缩应变34％；硬度为490hv左右。通过计算可知该合金比强度约为336mpa*cm3/g，比硬度约为106hv*cm3/g。
31.实施例3
32.本实施例制备的合金组成为ti70al10cr15fe5，制备方法为与实施例1的制备方法一致，区别在于根据合金ti70al10cr15fe5中ti、al、cr、fe四种金属的原子摩尔比称取相应质量的ti、al、cr、fe金属单质作为原料。
33.采用阿基米德排水法对ti70al10cr15fe5轻质高熵合金进行密度测试，测得其密度为4.81g/cm3，然后对其进行准静态压缩以及硬度测试。结果表明：该合金压缩屈服强度为1250mpa，压缩应变＞60％；硬度约420hv左右。通过计算可知该合金比强度约为260mpa*cm3/g，比硬度约为87.3hv*cm3/g。
34.实施例4
35.本实施例制备的合金组成为ti79al15cr5fe1，制备方法为与实施例1的制备方法一致，区别在于根据合金ti79al15cr5fe1中ti、al、cr、fe四种金属的原子摩尔比称取相应质量的ti、al、cr、fe金属单质作为原料。
36.采用阿基米德排水法对ti79al15cr5fe1轻质高熵合金进行密度测试，测得其密度为4.42g/cm3，然后对其进行准静态压缩以及硬度测试。结果表明：该合金压缩屈服强度为1220mpa，压缩应变为32％；硬度为405hv。通过计算可知该合金比强度约为276mpa*cm3/g，比硬度约为91.6hv*cm3/g。
37.综上所述，本发明中的轻质高熵合金的密度在4.3-4.8g/cm3之间，室温下压缩屈服强度在1.22-1.55gpa，断裂应变大于32％，硬度在405-490hv，比强度在260-336mpa*cm3/g，比硬度在87.3-106hv*cm3/g。本发明的轻质高熵合金与传统轻质合金的tc4相比，其密度基本保持不变，压缩屈服强度提升37％，硬度提升约43％，同时仍然保持较好的塑性变形能力。
38.本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种轻质高熵合金，其特征在于，所述合金组成为tiaalbcrcfed，所述合金由ti、al、cr、fe四种元素组成，所述a、b、c、d分别表示ti、al、cr、fe四种元素的原子百分比，所述a为60～80％，b为10～20％，c为5～15％，d为1～10％，所述a、b、c、d之和为100，其中b＞c≥d；所述合金为bcc固溶体单相。2.一种如权利要求1所述的轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、按照ti、al、cr、fe四种元素的原子百分比，称取单质ti、al、cr、fe金属颗粒；s2、根据熔点由低到高的顺序，将al、fe、ti、cr金属颗粒依次放入真空熔炼炉中熔炼，完全熔化并混合均匀后，保温后冷却，得到铸锭；s3、将铸锭翻面进行二次熔炼，保温后冷却；重复二次熔炼步骤4次，即制备得到轻质高熵合金。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述s1中，称取前先用无水乙醇对单质ti、al、cr、fe金属颗粒进行超声波冲洗。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述s2中，熔炼前先对真空熔炼炉炉内进行洗气操作：先将炉内抽真空，待真空度＜9.9*10-4
pa后冲入纯度为99.9％的氩气，当炉内压强达到-0.5mpa时停止充气；静置10-20分钟后，重复洗气操作一次。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼和二次熔炼的保温时间均为15s。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼和二次熔炼的时间均为3min。7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼和二次熔炼时，熔炼炉的熔炼电流为25a，熔炼电压为300v。

技术总结
本发明中公开了一种轻质高熵合金，所述合金组成为TiaAlbCrcFed，所述合金由Ti、Al、Cr、Fe四种元素组成，所述a、b、c、d分别表示Ti、Al、Cr、Fe四种元素的原子百分比，所述a为60～80％，b为10～20％，c为5～15％，d为1～10％，所述a、b、c、d之和为100，其中b＞c≥d；所述合金为BCC固溶体单相。本发明的轻质高熵合金与传统轻质合金的TC4相比，其密度基本保持不变，压缩屈服强度提升37％，硬度提升约43％，同时仍然保持较好的塑性变形能力；且制备方法简单，铸造过程成型效率高，在航空航天和军事装甲领域具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。


技术研发人员：张朝晖 程兴旺 何杨宇 刘一帆 冯向向 刘娅 刘罗锦 贾晓彤 王强
受保护的技术使用者：北京理工大学唐山研究院
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/8