一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法，具体是通过同时微合金化N、O元素来显著提高合金的抗拉强度和拉伸塑性。制备方法如下：将金属原料Ti、Zr、Hf、Nb除去氧化皮后按摩尔比准确称量，其它添加元素采用去氧化皮、酒精清洗后按摩尔比准确称量，N元素以氮化物的形式加入，O元素以氧化物的形式加入；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。本发明专利技术通过同时添加N、O元素显著提高高熵合金的拉伸性能，其中（TiZrHfNb）97.5(NO)2.5高熵合金的抗拉强度达到1300MPa,同时塑性延伸率超过15%，且加工硬化率较低，综合拉伸性能优异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于设计金属材料及其制备领域，提供了一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法。
技术介绍
高熵合金作为一种全新的合金设计理念，完全不同于传统金属材料，许多不同于传统合金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高熵合金的四大效应：（1）高混合熵效应。当高熵合金的等摩尔比合金的混合熵高到能够抵消混合焓的作用时，将会有利于固溶体的形成。这表明高混合熵可以促进合金元素之间的互溶度，并且合金体系的有序化也将得到很好的抑制，这就能够很好的避免液态合金在凝固过程中发生相分离而导致合金中端际固溶体或金属间化合物的生成，使其倾向于形成简单的面心立方或体心立方结构的多主元高熵固溶体相；（2）缓慢扩散效应。多主元合金的成分设计理念，使得合金体系中的原子尺寸差异必然会增加，这就会导致严重的晶格畸变，这些特征不利于体系内部原子的协调扩散以及与扩散有关的相分离。高熵合金的缓慢扩散效应体现在铸造过程中晶粒的形核和长大过程受到超高合金化元素之间的拖曳效应而得到明显的抑制，高温下的合金状态往往能够保持到室温，进而在冷却过程中会出现大量的纳米析出物，甚至在镀膜技术中容易形成非晶化。（3）鸡尾酒效应。鸡尾酒效应指由高熵合金中的主元元素的基本特性及元素间相互作用所产生的复合效应。比如，如果使用较多的轻元素，如铝，镁和钛，合金的总体密度降低；使用较多的抗氧化元素，如铝，铬或硅，合金的高温抗氧化、抗热腐蚀能力就会提高。（4）晶格畸变效应。高熵合金的多主元特性以及其各种不同的元素组成，使其具有明显的晶格畸变效应。材料的力学、电学和热学等性能都会受到这种畸变效应的影响，进而会导致合金具有显著的固溶强化，高的电阻率，高的热阻等特性，同时也会导致合金的X射线衍射强度下降，漫散射效应增强。高熵合金独特的合金设计理念和显著的高混合熵效应，使得其形成的高熵固溶体合金在很多性能方面具有潜在的应用价值，例如可以用于耐热和耐磨涂层，模具内衬，磁性材料，硬质合金和高温合金等。目前关于高熵合金的应用性研究，包括集成电路中的铜扩散阻挡层，四模式激光陀螺仪，氮化物、氧化物镀膜涂层，磁性材料和储氢材料等。目前开发的高熵合金成分很多，最为广泛的是FeCoNiCrMn高熵合金，该合金的拉伸塑性可以达到60%，但一般强度不足500MPa。然而BCC难熔高熵合金的拉伸性能鲜有报道。本专利技术使用N、O元素的共合金化来强化TiZrHfNb基高熵合金，保持合金系良好塑性的同时，可以明显提高合金的拉伸强度。
技术实现思路
本专利技术是开发出具有高的强度、高的塑性且加工硬化率低的TiZrHfNb基高熵合金，这类具有简单体心立方结构的难熔高熵合金，随着N、O元素的添加，合金的拉伸强度显著提高，同时合金的塑性几乎没有随着强度的提高而降低，且加工硬化率低。本专利技术是通过如下技术方案实现：一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金，所述高熵合金材料通过同时微合金化N、O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且维持较好的拉伸塑性。所述高熵合金的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNpOq,且各组分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+p+q=100。进一步，所述高熵合金的原子百分比表达式TiaZrbHfcNbdMeNpOq，且各组分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0＜e≤35,0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+e+p+q=100，M为I、J、L或K中的一种或多种，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种；J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru中的至少一种；K为V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种；L取自稀土元素。所述的氮氧共合金化的高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdIeNpOq，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≤e≤35,0＜p≤5，0＜q≤5,且a+b+c+d+e+p+q=100。所述的氮氧共合金化的高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdJfNpOq，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≤5，0＜q≤5,且a+b+c+d+f+p+q=100。所述的氮氧共合金化的高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdKgNpOq，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≤g≤35,0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+g+p+q=100。所述的氮氧共合金化的高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbhLhNpOq，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≤h≤35,0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+h+p+q=100。所述的氮氧共合金化的高熵合金材料成分的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbd(IJKL)eNfOq其中I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种，J取自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru中的至少一种，K取自V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L取自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≤e≤35，0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+e+p+q=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：按照上述表达式的原子百分比换算成质量比称取各个原料，其中，N元素以粉体或块体氮化物的方式加入，O元素以粉体或块体氧化物的方式加入；步骤2.将步骤1称取后原料和氮化物、氧化物的表面氧化皮去除，并使用工业乙醇清洗原料；步骤3.将步骤2处理后的原料和氮化物、氧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。待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸设备，将合金吸铸进入水冷铜模中，获得高熵合金材料。本专利技术的高熵合金强度高，杨氏模量低。抗拉强度超过900MPa,延伸率超过20%，弹性模量小于90GPa,随着N、O元素含量的升高，合金的抗拉强度接近1300MPa，且合金的延伸率仍然能达到15%以上。此外该合金系的加工硬化率比较低。还有，该合金系的大多合金组成元素为对人身体无毒性的元素，因此，该高熵合金在生物医用部件上具有很好的应用前景。本专利技术的优点在于：1、本专利技术所涉及的一系列TiZrHfNb基高熵合金成分范围广，制备条件也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金，其特征在于，该高熵合金的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNpOq,且各组分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0＜p≤5, 0＜q≤5且a+b+c+d+p+q=100。

【技术特征摘要】
1.一种氮氧共合金化的TiZrHfNb基高熵合金，其特征在于，该高熵合金的原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdNpOq,且各组分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0＜p≤5,0＜q≤5且a+b+c+d+p+q=100。
2.根据权利要求1所述的氮氧共合金化的高熵合金材料，其特征在于，该高熵合金的原子百分比表达TiaZrbHfcNbdMeNpOq，且各组分：0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35，0＜d≤35，0＜e≤35,0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+e+p+q=100，M为I、J、L或K中的一种或多种，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种；J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、...

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