一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法，是通过微合金化N元素来达到间隙原子强化的效果，从而显著提高合金的抗拉强度。工艺如下：将金属原料Ti、Zr、Hf、Nb用机械方法除去氧化皮后按摩尔比精确称量，其它添加元素采用机械去皮、超声清洗或酸洗后按摩尔比精确称量，N元素以氮化物的形式加入；在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里熔炼目标合金，利用真空吸铸或浇铸设备获得合金。本发明专利技术创新性地通过添加N元素显著提高高熵合金的拉伸性能，尤其是（TiZrHfNb）98N2.0高熵合金的抗拉强度接近1300MPa,同时塑性延伸率超过10%，综合拉伸性能显著优于现有的高熵合金体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料及其制备领域，尤其涉及一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法。
技术介绍
高熵合金，又名高混乱度合金，是一种拥有5-13元的多主元合金。由于其高温热稳定性、耐蚀性、高强度、高抗氧化性以及优良的磁电性能等，为金属材料开创了一个新的领域，是目前极具发展潜力的新兴材料。高熵合金中的合金元素以等摩尔比或非等摩尔比配比，也可以微量添加元素来达到改性的目的，其主要组元数目n≥5，且每种元素的原子百分比不超过35%，高熵合金的高熵效应使得传统二元或多元合金间易于形成的金属间化合物会被完全抑制，体系一般只形成单一的BCC、FCC结构固溶体亦或非晶相，同时可以在普通铸态下形成纳米组织。高熵合金是一种全新的合金设计理念，完全不同于传统金属材料，许多超乎寻常的现象孕育在这种新的合金设计理念中。这些新的现象主要包括：（1）高混合熵效应。高熵合金中较多的组元导致系统的混合熵比形成金属间化合物的熵变还要大时，高熵效应就会抑制脆性金属间化合物的出现，促进元素间混合形成简单的BCC或FCC结构；（2）缓慢扩散效应。相变取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的铸造过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制从而延迟到低温区间，这正是铸态高熵合金基体中往往出现纳米析出物的原因所在。（3）鸡尾酒效应。由于包含多种主要元素，高熵合金可以看作是原子尺度的复合材料。因此，除各种元素对于微观组织的间接影响外，源于元素的基本特性以及它们之间的相互作用使得高熵合金呈现出一种复合效应，即“鸡尾酒效应”。（4）晶格畸变效应。高熵合金中容易形成包含多种主要组元元素的固溶体相，这样一个包含多种元素的晶格一定是严重畸变的，因为所有原子既可看作溶质原子也可看作溶剂原子，而且原子尺寸都不一样。高熵合金中的晶格畸变效应会导致其高的固溶强化、热阻、电阻等特性。正是由于高熵合金特有的组织特点以及独特的性能，其应用前景十分广泛：（1）高硬度且耐磨耐高温的工具、模具和刃具；（2）利用喷涂、溅镀、铸造包覆等方法制备高尔夫球头的击打面，油压气压杆、钢管及轧压筒等各种器件的硬面；（3）高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光碟、高频软磁薄膜及喇叭；（4）化学工厂、轮船、油井等的耐蚀高强度材料；（5）涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的材料；（6）超高大楼结构的耐火骨架；（7）储氢材料；（8）微机电元件、电路板的封装材料等；（9）喷镀金属材料的抗扩散膜。目前开发的高熵合金成分很多，其中FeCoNiCrMn高熵合金研究最为广泛，该合金的拉伸塑性可以达到60%，但其强度较低，仅有不到500MPa。然而BCC难溶点高熵合金的拉伸性能鲜有报道。传统的微合金化元素是C、B、Si、Al等，本专利技术创新地使用N元素来强化TiZrHfNb基高熵合金体系的拉伸性能，强化效果非常明显。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种具有高的强度、高的塑性且加工硬化率低的TiZrHfNb基高熵合金，具有简单的体心立方结构的氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法。本专利技术的技术方案是：一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNp，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+p=100。进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdMfNp，其中M为I、J、K或L中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0≤f≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+f+p=100。所述氮强化的TiZrHfNb基高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdIfNp，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0≤f≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+e+p=100。所述氮强化的TiZrHfNb基高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdJfNp，其中J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru中的至少一种，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0≤f≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+f+p=100。所述氮强化的TiZrHfNb基高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdKfNp，其中K为V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,＜0≤d≤35,0≤f≤35,0＜p≤5,且a+b+c+d+f+p=100。所述氮强化的TiZrHfNb基高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbhLfNp，其中K为稀土元素中的至少一种，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0≤f≤35,0＜p≤5,且a+b+c+d+f+p=100。所述氮强化的TiZrHfNb基高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbd(IJKL)fNp其中I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb、Te，J取自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru，K取自V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca，L取自稀土元素，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0≤f≤35，0＜p≤5,且a+b+c+d+f+p=100。本专利技术的另一目的是提供上述合金的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1.步骤1.原料清洗：使用砂纸或砂轮机去除选定原料中Ti、Zr、Hf、Nb元素金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，其它金属元素采用机械法或酸洗法来除去金属表面的氧化皮，并使用工业乙醇超声波振荡清洗原料，备用；步骤2：称取原料：将处理后的原料和氮化物按照上述表达式的原子百分比换算成质量比进行配比称料，其中N元素以粉体或块体氮化物的方式加入，氮化物的纯度不低于99.9%；步骤3.熔炼：将称取好的原料和氮化物原料按熔点高低顺序堆放在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里进行熔炼，Ti和Zr放在底部，Hf和Nb放在中间，氮化物熔点最高，放在最顶部，其它金属元素按照熔点酌情放置，类金属放于坩埚底部，然后进行抽真空，当真空度达到5×10-3Pa后，向炉腔充氩气至半个大气压，接着再抽一遍真空至5×10-3Pa，再向炉腔充氩气至半个大气压，开始熔炼合金；熔炼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金，其特征在于，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNp，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+p=100。

【技术特征摘要】
1.一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金，其特征在于，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNp，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+p=100。
2.根据权利要求1所述的氮强化的高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdMfNp，其中M为I、J、K或L中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0≤f≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+f+p=100。
3.一种制备如权利要求1或2所述的氮强化的TiZrHfNb基高熵合金的方法，其特征在于
步骤1.原料清洗：使用砂纸或砂轮机去除选定原料中Ti、Zr、Hf、Nb元素金属的表面氧化皮，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕昭平，雷智锋，何骏阳，黄海龙，吴渊，王辉，刘雄军，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11