一种基于难熔高熵合金的超高温复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于难熔高熵合金的超高温复合材料及其制备方法，涉及金属基复合材料及其制备领域。该复合材料制备方法为：1)取所含元素的单质材料，净化；2)步骤1)得到的材料置于真空非自耗电弧炉中，抽真空后通入氩气；3)熔炼，得到基于难熔高熵合金的超高温复合材料。上述方法降低了材料的密度；大幅提高的高温性能和密度的降低显著提高了材料的高温比强度，从而制备出基于高熵合金的具有在超高温条件下服役的复合材料。

An ultra-high temperature composite material based on refractory high entropy alloy and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于难熔高熵合金的超高温复合材料及其制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料及其制备领域，提供了一种在氩气气氛下熔炼制备难熔高熵合金基复合材料的制备方法。
技术介绍
随着航空航天领域的不断发展，对高温结构材料的需求越来越大，对材料性能的要求也越来越高，某些一次性高超音速飞行器外表面与空气摩擦温度可达1400度，传统的高温合金难以在这种温度要求下达到服役目标，这使传统的高温合金领域面临着巨大的挑战。多主元高熵合金的合金设计理念为开发性能优异的高温结构材料提供了新的思路。根据高熵合金的设计思路，国内外研究者已制备了一系列难熔的高熵合金，这些合金系的组成元素均为难熔金属元素。如美国空军研究实验室制备的NbMoTaW和VNbMoTaW难熔高熵合金在800℃以上时其压缩屈服强度均显著高于Inconel718和Haynes230两种超合金。这类合金虽然具有较为优异的高温强度，但是在某些极限条件下，高温性能仍然有待于进一步提升；另外，此类合金密度也相对较大，因此高温比强度较低。这些将大大阻碍难熔高熵合金作为高温结构材料的工程应用。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种简单、高效地制备具有极其优越的高温性能、低密度、具有高的高温比强度的难熔高熵合金基复合材料的方法。本专利技术在纯净氩气的气氛下熔炼难熔高熵合金基复合材料，在复合材料凝固后，从而制备成功。本专利技术中所开发的难熔高熵合金基复合材料所述复合材料含有Nb、Mo、W、Ta、V和Si元素，为NbMoWTaV-Si0.3，复合材料组成元素的原子比为，Nb:Mo:W:Ta:V:Si＝1:1:1:1:1:0.3。本专利技术的一种改善难熔高熵合金室温塑性的制备方法按照以下步骤实现：1)取Nb、Mo、W、Ta、V和Si的单质材料，净化；2)步骤1)得到的材料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空后通入氩气；3)熔炼，得到基于难熔高熵合金的超高温复合材料。步骤1)所述Nb、Mo、W、Ta、V和Si的单质材料加料比为：各元素的原子比为Nb:Mo:W:Ta:V:Si＝1:1:1:1:1:0.3。步骤2)所述真空压强为5×10-3Pa。步骤2)通入的氩气纯度为99.999％，通入氩气后熔炼室内总压力为50KPa。步骤3)所述熔炼，熔炼的电流为750A。步骤3)所述熔炼，每次熔炼具体操作为：将电流升至750A，待材料完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼10min，然后关闭电流；待材料冷却后翻转材料，重复上述熔炼操作，上述熔炼操作共进行8次。步骤2)所所述材料按照熔点由低到高依次放置到水冷铜坩埚中。步骤1)所述净化，具体为：材料表面打磨去除氧化皮，先后使用工业乙醇和丙酮在超声波条件下震荡清洗。有益效果本专利技术解决了难熔高熵合金高温性能有限的局限性问题，通过在难熔高熵合金中加入Si元素改变材料的强化方式，在合金基体中引入金属间化合物相，材料的强化方式由单一的固溶强化而改变成了固溶强化和第二相强化两种强化方式，从而大幅提升材料的高温性能；并且Si元素的引入，降低了材料的密度；大幅提高的高温性能和密度的降低显著提高了材料的高温比强度，从而制备出基于高熵合金的具有在超高温条件下服役的复合材料。本专利技术制备的NbMoWTaV-Si0.3超高温复合材料具有极高的高温压缩屈服强度和峰值强度，并且具有一定的热变形能力，极大的改善了材料的高温强度极限，将为该类材料的工程化应用起到了重要的推动作用。附图说明图1为NbMoWTaV-Si0.3超高温复合材料的高温压缩应力—应变曲线图；图2为NbMoWTaV-Si0.3超高温复合材料与目前研究较热门的难熔高熵合金的高温压缩屈服强度—密度阿什比图；图3为NbMoWTaV-Si0.3超高温复合材料显微组织图。具体实施方式实施例1难熔高熵合金基复合材料NbMoWTaV-Si0.3的制备：原料的准备本专利技术采用的原材料为纯度在99％以上的Nb、Mo、W、Ta、V和Si元素单质材料。所有材料为块体，用砂纸或砂轮打磨去除材料表面的氧化皮，并先后用工业乙醇和丙酮在超声波环境下震荡清洗，随后按照组成元素原子比Nb:Mo:W:Ta:V:Si＝1:1:1:1:1:0.3，精确称量。合金的熔炼本专利技术采用非自耗真空电弧炉熔炼材料。将配比称量后的原料按照元素熔点由低到高依次放在水冷铜坩埚中，将炉腔抽真空至5×10-3Pa，向熔炼室内通入纯度均为99.999％的氩气。熔炼室内总压力为50KPa。将坩埚中原料熔炼八次，每次熔炼时待材料完全熔化为液态后，保持电流不变熔炼10min，然后关闭电流，待材料冷却后将其翻转继续下次熔炼，其中，每次熔炼的电流为750A。冷却后得到目标复合材料。实施例2难熔高熵合金基复合材料组织与性能的评价(1)高温压缩测试采用线切割在实施例1熔炼制备的复合材料钮扣锭中部上分别切取的圆柱试样，用砂纸将圆柱试样的上下端面及侧表面打磨干净。在热分析模拟试验机Gleeble1500D上进行高温压缩性能测试，压缩速率为1×10-3s-1，试验所得材料的压缩应力-应变曲线如图1所示。由图可知，1200摄氏度真空条件下，该复合材料屈服强度达到1901.8MPa，极限强度达到1932MPa，极限变形率大约为8％；1300摄氏度真空条件下，该复合材料屈服强度达到1470.2MPa，极限强度为1484.3MPa，极限变形率超过30％，圧缩曲线未标出；1400摄氏度真空条件下，该复合材料屈服强度达到1305MPa，极限强度为1333MPa，极限变形率超过30％，圧缩曲线未标出。该复合材料与目前研究较多的一些难熔高熵合金的高温屈服强度-密度阿什比图如图2所示，可以看到该复合材料虽然具有较高的密度，但是高温屈服强度却远高于其他难熔高熵合金，在相同温度下是其他难熔高熵合金的两倍还要多，因此该复合材料具有其他难熔高熵合金都无法比拟的极高的高温强度。(2)显微组织分析采用线切割在熔炼制备的复合材料钮扣锭上切取一部分，依次使用60#、180#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的砂纸研磨，随后对试样表面进行抛光，利用扫描电子显微镜背散射探头观察合金组织，如图3所示。可以看到该复合材料由两相组成，分别是灰色的相和大量分布的白色沉淀物相。在高温变形过程中，合金灰色相被白色相分割，使组织明显被细化。并且大量弥散分布细小白色相又能提供大量的相界，起到强化作用。因此在变形过程中，复合材料中存在金属基体的固溶强化、引入到复合材料中第二相的第二相强化，因此，该复合材料具有极为优异的高温强度。采用线切割在熔炼制备的复合材料钮扣锭上切取一的圆片，依次使用60#、180#、400#、800#、1200#、1500#和2000#的砂纸研磨，然后利用离子减薄仪进行减薄，利用透射电子显微镜对试样进行分析，通过TEM明场像可以看到两种不同形貌，白色组织为BCC相，灰色组织为HCP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于难熔高熵合金的超高温复合材料，其特征在于：所述复合材料含有Nb、Mo、W、Ta、V和Si元素。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于难熔高熵合金的超高温复合材料，其特征在于：所述复合材料含有Nb、Mo、W、Ta、V和Si元素。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述复合材料组成元素的原子比为，Nb:Mo:W:Ta:V:Si＝1:1:1:1:1:0.3。


3.一种权利要求1或2任一项所述基于难熔高熵合金的超高温复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)取Nb、Mo、W、Ta、V和Si的单质材料，净化；2)步骤1)得到的材料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空后通入氩气；3)熔炼，得到基于难熔高熵合金的超高温复合材料。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述Nb、Mo、W、Ta、V和Si的单质材料加料比为：各元素的原子比为Nb:Mo:W:Ta:V:Si＝1:1:1:1:1:0.3。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，刘小东，苏彦庆，陈瑞润，郭景杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23