一种高熵块体非晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于非晶合金和高熵合金材料领域，并公开了一种高熵块体非晶合金及其制备方法。该合金成分包括Zr、Ti、Be、Cu和M，各元素的原子百分比分别为：Zr为25％～35％、Ti为25％～35％、Be为22％～30％、Cu为5％～15％，其中，M代表Al、Fe、Ag、Ni、V、Cr中的一种或两种元素，当M为一种元素时，其为5％～8％；当M为两种元素时，其包括Ni和另外一种元素，Ni为5％～15％，另外一种元素为5％～8％；制备方法是在惰性气氛下进行电弧熔炼制备母合金锭，然后采用铜模吸铸/喷铸/浇铸成型。本发明专利技术提供的高熵块体非晶合金具有非晶形成能力强、密度低、比强度高等性能特点，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵块体非晶合金及其制备方法
本专利技术属于非晶合金和高熵合金材料领域，更具体地，涉及一种高熵块体非晶合金及其制备方法。
技术介绍
随着航天飞行器航程的加长和速度的增加，对材料性能的要求也越来越苛刻，传统的铝合金、钛合金越来越无法满足研究的需要，轻质高比强度的材料将有很好的应用前景。非晶合金又称金属玻璃，是一种熔体快速淬火形成的亚稳态合金，其原子排列长程有序而短程无序。非晶合金的具有优异的力学性能，比如接近理论预测的高强度、高硬度，弹性应变大，耐腐蚀和磨损等。目前已开发的大多数块体非晶合金往往有三种或三种以上组元，但仍具有单一主元，如Zr、Pd、Ti、Cu、Fe等。1984年，台湾学者叶君蔚等提出新的合金设计理念，即“多主元高熵合金”，这一突破使新型合金材料的研究豁然开朗。高熵合金一般可以被定义为由五个或五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比(通常指5～35at.％)合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。但近期研究发现，部分高熵合金在急冷条件下也可形成非晶态结构。和传统的非晶合金和高熵合金相比，高熵非晶合金结构上为非晶结构，成分上具有高熵效应，因此具有更高的强度。如Ti20Zr20Cu20Ni20Be20高熵非晶合金具有高达2315MPa的断裂强度，高于同体系Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5合金(vit-1，1900MPa)；但根据Adam-Gibbs公式，合金的熵值太高会降低熔体的黏度，因此降低了合金的非晶形成能力，因此目前开发的高熵块体非晶合金大多形成能力有限，如Ti20Zr20Cu20Ni20Be20高熵非晶合金的非晶形成临界尺寸仅为3mm，远低于同体系其它成分(如Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5合金临界尺寸超过20mm)，此外，部分已开发高熵块体非晶合金如Ti20Zr20Hf20Cu20Ni20和Pd20Pt20Cu20Ni20P20含有密度较大或成本较高的元素，降低了其比强度优势，提高了制备成本，因此，开发兼具良好非晶形成能力和高比强度的高熵块体非晶合金很有必要。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高熵块体非晶合金及其制备方法，通过采用各组成元素近似等原子比设计，并添加原子半径较小的Be元素，在维持其高混合熵的同时保证其具有良好的非晶形成能力，由此解决非晶形成能力和比强度低的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种高熵块体非晶合金，其特征在于，该合金成分包括Zr、Ti、Be、Cu和M，M代表Al、Fe、Ag、Ni、V、Cr中的一种或两种元素，各个元素的原子百分比分别为：Zr含量为25％～35％、Ti含量为25％～35％、Be含量为22％～30％、Cu含量为5％～15％；当M中含有Ni时，Ni原子百分比含量为5％～15％，另外一种元素的原子百分比含量为5％～8％；当M中不含有Ni时，M的原子百分比含量为5％～8％。进一步优选地，该高熵块体非晶合金为Zr31Ti27Be26Cu10Fe6，Zr31Ti27Be26Cu10Al6，Zr31Ti27Be26Cu10Ag6，Zr31Ti27Be26Cu10Ni6，Zr31Ti27Be26Cu10Cr6，Zr31Ti27Be26Cu10V6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Fe6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Al6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Ag6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Cr6或Zr28Ti24Be23Cu9Ni10V6。进一步优选地，所述高熵块体非晶合金的临界尺寸不低于4mm，过冷液相温度区间不低于60K，室温压缩断裂强度不低于1800MPa，比强度不低于3×105N·m/kg。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种高熵块体非晶合金的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)采用纯度大于99.95wt％的Zr、Ti、Be、Fe、Cu、Ni、Ag、Cr、V按照权利要求1所述成分进行称重配料；(b)将步骤(a)中的原料放置在在真空度为1×10-3Pa以下的环境中，并通入惰性保护气体，然后对所述原料进行熔炼获得母合金锭；(c)将步骤(b)中获得的母合金锭加热重熔，并将熔化后的合金置于模具中冷却成型，由此获得所需的高熵块体非晶合金。进一步优选地，在步骤(b)中，所述熔炼优选采用电弧熔炼。进一步优选地，在步骤(c)中，所述加热重熔优选采用电弧加热或者感应加热。进一步优选地，在步骤(c)中，所述置于模具中冷却成型采用将熔化的液态合金负压吸入、压力喷射入或浇入无氧铜制模具中，该无氧铜制模具优选采用水冷无氧铜制模具。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术所获得的高熵块体非晶合金结构上为非晶结构，成分上具有高熵效应。同现有技术的高熵块体非晶合金相比，本专利技术提供的高熵块体非晶合金成分上并未采用各组成元素严格等原子比设计，而是采用各组成元素近似等原子比设计，并添加原子半径较小的Be元素，在维持其高混合熵的同时增大合金的原子半径差，保证其具有良好的非晶形成能力，使得多数成分合金的非晶形成临界尺寸Dc(非晶合金的临界尺寸指其能获得完全非晶态结构的最大样品尺寸，多用棒状样品的直径来表示)可以达到厘米级，优于已开发的高熵块体非晶合金(如Ti20Zr20Cu20Ni20Be203mm；Ti20Zr20Hf20Cu20Ni201.5mm；Ti20Zr20Hf20Cu20Be2012mm；Pd20Pt20Cu20Ni20P2010mm；Sr20Ca20Yb20Mg20Zn204mm)；2、本专利技术通过加入Be等轻质元素，有效降低了合金的密度，同时由于铍具有较大的弹性模量，有利于提高合金的强度，使得该高熵块体非晶合金还具有超还过3×105N·m/kg的高比强度(定义为合金断裂强度与密度的比值)，明显高于常用航天材料Ti-6Al-4V(2.4×105N·m/kg)和其它高熵非晶合金(如Ti20Zr20Cu20Hf20Be202.842×105N·m/kg；Ti16.7Zr16.7Hf16.7Cu16.7Ni16.7Be16.72.814×105N·m/kg；Ti20Zr20Hf20Cu20Ni202.280×105N·m/kg)；3、本专利技术的制备方法中通过采用材料纯度99.95wt％以上，并要求打磨掉氧化皮，真空度要求1×10-3Pa以下，否则会引入含氧杂质，导致合金的非晶形成能力和塑性应变降低；4、本专利技术通过采用具有良好导热效果的水冷无氧铜制模具，使用带水冷效果的无氧铜制模具，具有良好的导热能力，从而缩短成型时间，提高冷却效率，有利于获得更大尺寸的完全非晶态高熵合金块体样品；5、本专利技术提供的高熵块体非晶合金的制备方法，采用现有主流工艺，步骤简单易行，过程易于控制，可根据需求制备不同形状(如棒状，板状等)的高熵块体非晶合金样品，有利于其广泛应用，有望实现工业大批量生产。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的五元高熵非晶合金的X射线衍射图谱；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的六元高熵非晶合金的X射线衍射图谱；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的五元高熵非晶合金的D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高熵块体非晶合金，其特征在于，该合金成分包括Zr、Ti、Be、Cu和M，各个元素的原子百分比分别为：Zr含量为25％～35％、Ti含量为25％～35％、Be含量为22％～30％、Cu含量为5％～15％，其中，M代表Al、Fe、Ag、Ni、V、Cr中的一种或两种元素，当M为一种元素时，其含量为5％～8％；当M为两种元素时，其包括Ni和另外一种元素，Ni的含量为5％～15％，另外一种元素的含量为5％～8％。

【技术特征摘要】
1.一种高熵块体非晶合金，其特征在于，该合金成分包括Zr、Ti、Be、Cu和M，各个元素的原子百分比分别为：Zr含量为25％～35％、Ti含量为25％～35％、Be含量为22％～30％、Cu含量为5％～15％，其中，M代表Al、Fe、Ag、Ni、V、Cr中的一种或两种元素，当M为一种元素时，其含量为5％～8％；当M为两种元素时，其包括Ni和另外一种元素，Ni的含量为5％～15％，另外一种元素的含量为5％～8％。2.如权利要求1所述的一种高熵块体非晶合金，其特征在于，该高熵块体非晶合金为Zr31Ti27Be26Cu10Fe6，Zr31Ti27Be26Cu10Al6，Zr31Ti27Be26Cu10Ag6，Zr31Ti27Be26Cu10Ni6，Zr31Ti27Be26Cu10Cr6，Zr31Ti27Be26Cu10V6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Fe6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Al6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Ag6，Zr28Ti24Be23Cu9Ni10Cr6或Zr28Ti24Be23Cu9Ni10V6。3.如权利要求1或2所述的一种高熵块体非晶合金，其特征在于，所述高熵块体非晶合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚攀，王雨萧，王新云，王思博，邓磊，金俊松，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42