一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金及其制备方法技术

一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金及制备方法，属于高熵合金材料领域。合金成分表达式为TiaZrbHfcNbdAle。制备方法分两种，一是利用机械和化学相结合的方法去除原料金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波震荡清洗原料金属；使用真空电弧炉熔炼合金，当真空度达到5×10

【技术实现步骤摘要】
一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金及其制备方法
本专利技术涉及金属材料及其制备领域，提供了一种成分为TiZrHfNbAl超弹性高熵合金及其制备方法。
技术介绍
形状记忆效应和超弹性是某些呈现应力诱导马氏体相变的合金所具有的奇特性能，合金处于低温时发生变形，加热到临界温度通过逆相变恢复其原始状态，称为形状记忆效应。而不需要加热，卸载后恢复其原始状态，称为超弹性。目前对高熵合金相变诱导塑性的研究主要集中于通过相变增强增韧，尚无关于具有应力诱导马氏体相变高熵合金超弹性或形状记忆的研究的报道，因此开发出具有应力诱导马氏体相变及超弹性或形状记忆效应的高熵合金将填补该领域的空白，对拓宽高熵合金的应用范围具有重要意义。高熵合金(High-entropyalloys，简称HEAs)是2004年才被提出的一种新型金属材料。HEAs突破了传统合金以一种或两种元素为主的合金设计理念，不是单主元或双主元合金(如金属间化合物)，而是由五种或五种以上元素组成的、每种元素含量均在5％以上的多主元合金，由于混合熵较高，某些高熵合金室温下形成了单相固溶体，并展现出了较大的晶格畸变、较高的稳定性、缓慢的扩散效应及特殊的物理和化学性能等，这种新合金的提出将材料的成分设计由相图的边、角部位扩展到中心区域，大大扩宽了工程材料的研究的领域。目前已报道的典型高熵合金成分有：以FeCoCrNi和FeCoCrNiMn为代表的面心立方固溶体结构的高熵合金；以FeCoCrNiAl、FeCoCrNiAlTi和AlCrCuFeMnNi为代表的体心立方固溶体结构的高熵合金；高熔点的MoNbTaW和MoNbTaWV高熵合金；具有无序结构的高熵非晶合金Zn20Ca20Sr20Yb20(Li0.55Mg0.45)20、PdPtCuNiP和TiZrCuNiBe高熵非晶合金等。其中，研究最为广泛的FeCoCrNiMn高熵合金具有高达60％的拉伸塑性，但是强度仅有200～500MPa，而其他体心立方结构的高熵合金和高熔点高熵合金并没有拉伸性能的报道。而对于体心立方结构的高熵合金增强增韧研究表明，通过调整高熵合金的相稳定性可以使合金具有应力诱导相变的特性。应力诱导相变是材料科学领域一个重要的理论问题。在外加载荷的作用下，低温时的高温亚稳相发生相变是许多合金实现增强增韧的主要原理。最近，ZhimingLi等在《Nature》杂志上报道，Fe80-xMnxCo10Cr10合金，通过调整Mn的含量，合金拉伸过程中发生了马氏体相变，生成了孪晶结构的HCP相，FCC+HCP双相的形成不仅使强度提高，且塑性也有较大改善。除FCC高熵合金外，在BCC合金中通过调节成分亦可以通过应力诱导相变来达到增强增韧的效果。LolaLilensten等依据“d-电子合金设计”准则，制备出Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Ta5非等原子比高熵合金。该合金在拉伸过程中通过应力诱导生成了具有孪晶结构马氏体相α″，拉伸后合金中α″的含量高达65％，极大提高了合金的塑性和强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发出具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，该高熵合金具有简单的体心立方和正交两相结构，通过调整合金元素的比例可获得具有应力诱导马氏体相变的高熵合金，通过适当的热-机械加工可使合金具有超弹性。本专利技术的高熵合金体系为TiZrHfNbAl，除Al之外，所采用的组元均为高熔点元素，且在高温下均为体心立方结构。利用本专利技术所确定的制备工艺可以获得具有体心立方结构的高熵合金棒材和板材。一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdAle，35≤a≤50，15≤b≤35，5≤c≤25，5≤d≤15，5≤e≤20。进一步的，所述TiZrHfNbAl高熵合金优选成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdAl10，41≤a≤50，25≤b≤35,5≤c≤15，5≤d≤10。进一步的，所述TiZrHfNbAl高熵合金优选成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNb5Ale，35≤a≤40，25≤b≤35,5≤c≤15，7≤e≤15。进一步的，所述TiZrHfNbAl高熵合金优选成分原子百分比表达式为Ti55-dZr35-cHfcNbdAle，11≤c≤20,5≤d≤14，7≤e≤15。进一步的，所述TiZrHfNbAl高熵合金优选成分原子百分比表达式为Ti55-dZr20Hf15NbdAle，5≤d≤10，7≤e≤15。上述合金元素及其成分范围的选择主要是基于β钛合金的成分设计理论和性能要求，各元素在合金中的作用论述如下：本专利技术合金中的Ti、Zr和Hf均为具有自旋不成对的d-电子的过渡族元素，电子之间的共价键强度越高，金属或合金中过渡族元素的结合能则越大，Zr、Hf与Ti的最外层电子构造一样，它们点阵结构相同,都具有密集六方和体心立方两种结构。因此，Zr、Hf与Ti可以无限互溶，形成固溶体，而这正是高熵合金所具有的结构特征之一。但是考虑到该合金发生马氏体相变的难易程度以及合金的强度和超弹性要求，经过多次反复实验，我们确定了表达式为TiaZrbHfcNbdAle的高熵合金中三种元素的范围35％≤Ti≤50％，15％≤Zr≤35％，5％≤Hf≤25％。Al是强化钛合金最常用的合金元素之一，Al的加入不仅提高了合金强度抗氧化性，还降低了合金密度，这对航空材料特别重要。但是Al含量太高易形成金属间化合物，所以，在本专利技术合金中，Al含量范围确定为5％至20％。在本专利技术合金中，Nb是与β-Ti晶格相同的元素，能与β-Ti无限互溶，以置换方式大量溶入β-Ti中，产生较小的晶格畸变。更为重要的是，Nb是导致合金具有超弹性的关键元素，其含量高低直接决定合金和超弹性的大小，经过多次反复实验，我们确定了高熵合金中Nb元素的成分范围为5％至15％。具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金的制备方法分为两种，第一种如上所述具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金的制备方法，包括以下步骤：(1)采用纯度99.5％以上的Ti、Zr、Hf、Nb和Al元素，按照摩尔比进行称量配比，供制备合金使用；(2)利用机械和化学相结合的方法去除原料金属Ti、Zr、Hf、Nb和Al的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波震荡清洗原料金属；(3)使用真空电弧炉熔炼合金，对样品室抽真空，当真空度达到5×10-2Pa后，充入工业氩气直到炉内压力达到半个大气压；(4)待母合金充分熔炼均匀后，使用真空浇铸或吸铸设备，将合金注入水冷铜模中，获得高熵合金棒材；(5)获得的高熵合金棒材在室温下冷轧至厚度的30-80％，采用机械方法去除表层并用工业乙醇超声波震荡清洗，后封入充满氩气的石英管中在600℃至1000℃热处理0.1小时到3小时。第二种如上所述具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金的制备方法，包括以下步骤：按重量百分比进行配制经均匀混合后压制成电极，然后在真空自耗电极电弧炉中进行真空熔炼，此时熔炼真空度0.01－1Pa，弧电压32－36V，弧电流5000－8000A，然后在真空自耗电极凝壳炉真空度0.1－1Pa，弧电压30－40V，弧电流20000－50000A下进行TiZrHfNbAl基合金浇铸成合金棒材，然后再本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdAle，35≤a≤50，15≤b≤35，5≤c≤25，5≤d≤15，5≤e≤20。

【技术特征摘要】
1.一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdAle，35≤a≤50，15≤b≤35，5≤c≤25，5≤d≤15，5≤e≤20。2.如权利要求1所述的一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNbdAl10，41≤a≤50，25≤b≤35,5≤c≤15，5≤d≤10。3.如权利要求1所述的一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为TiaZrbHfcNb5Ale，35≤a≤40，25≤b≤35,5≤c≤15，7≤e≤15。4.如权利要求1所述的一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为Ti55-dZr35-cHfcNbdAle，11≤c≤20,5≤d≤14，7≤e≤15。5.如权利要求1所述的一种具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金，其成分原子百分比表达式为Ti55-dZr20Hf15NbdAle，5≤d≤10，7≤e≤15。6.一种制备权利要求1至权利要求5中任一一种所述具有超弹性的TiZrHfNbAl高熵合金的方法，该方法包括以下步骤：(1)采用纯度99.5％以上的Ti、Zr、...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠希东，王璐，王钦佳，朱建，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11