一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种W‑Ta‑Mo‑Nb‑Hf‑C高温高熵合金及其制备方法。该高温高熵合金中由W、Ta、Mo、Nb、Hf和C等原子比或非等原子比组成。本发明专利技术还提供该高温高熵合金的制备方法，包括：1)称取所需重量的W、Ta、Mo、Nb、Hf和C原料；2)进行真空电弧熔炼。本发明专利技术制备的W‑Ta‑Mo‑Nb‑Hf‑C高温高熵合金在1800℃仍具有266MPa强度，可用于弥补镍基高温合金1200℃以上温度时强度不足，取代镍基高温合金用于高温结构领域。

A w-ta-mo-nb-hf-c high temperature and high entropy alloy and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料领域，涉及一种耐高温的高熵合金及其制备方法，具体涉及一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金及其制备方法。
技术介绍
近空间高超声速飞行器具有高速度、高机动以及远程精确打击等诸多优点，代表空天飞行器的发展方向。探索耐极端环境的新型高温结构材料成为发展高超声速飞行器和空天飞行技术的迫切需求。目前超高温环境材料普遍选用超高温陶瓷。但超高温陶瓷块体材料断裂韧性较低，其抗热冲击性能受尺寸影响较大，是制约其应用的主要原因。而传统Ni(镍)基高温合金受其熔点限制，使用温度一般不超过1200℃。而由多主元难熔金属元素组成的高温高熵合金，具有高温下高强度、高硬度、良好的高温稳定性及抗高温软化性能，弥补了高温陶瓷和传统高温合金的不足，有望应用于高温航天航空结构件方面。高熵合金是由至少四种主元形成的固溶体合金，其基本特征是混合熵高，合金相以简单固溶体为主，其综合性能优异，如硬度高、韧性好、良好的耐磨性和耐蚀性等。特别是在高温条件下，高熵合金的相结构稳定、强度高，有望成为新一代高温工程结构材料。2010年美国学者使用真空电弧熔炼法选用Nb(铌)、Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)、V(钒)研究了NbMoTaW和NbMoTaWV两种高温高熵合金(SenkovON,etal.Intermetallics[J],2010,18(9):1758-1765.)。NbMoTaW高温高熵合金具有单相体心立方(BCC)结构，室温最大抗压强度为1211MPa，塑性为2.1％，脆性大，塑性不好，强度有待提高；在1600℃下仍然具有405MPa的压缩强度，经过19小时1400℃退火处理之后，合金的组织依然保持简单的体心立方结构，体现出高热稳定性及优良的力学性能(SenkovON,etal.Intermetallics[J],2011,19(5):698-706.)。但是NbMoTaW和NbMoTaWV这两种合金的室温塑性差，强度不高。目前国内对高温高熵合金的研究较少，可供选择的高温高熵合金体系不足，这限制了我国在高温结构材料上的选择空间。具有双相结构、超细晶强化的合金有待研究，具有高强度、超耐磨的高温高熵合金有待进一步开发。尤其是在1800℃时仍具有高强度的合金未见报道。对高温高熵合金的力学性能改善，有利于完善高温高熵合金体系，能获得更好的高温服役金属材料，对提高我国高温结构材料工程应用和理论研究具有非常重要的工程和科学意义。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金，该高温高熵合金具有双相结构、超细晶强化的结构，其室温抗压强度和塑性均比现有NbMoTaW高熵合金具有显著提高。1600℃时具有510MPa的抗压强度，1800℃时具有266MPa的抗压强度，比现有高温合金具有更高的高温强度和使用温度范围。本专利技术的另一目的在于提供上述W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金的制备方法，该制备方法采用真空电弧熔炼法制备合金铸锭，简单易行，铸锭组织均匀。为了实现上述目的，本专利技术提供一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金，所述高温高熵合金中由W、Ta、Mo、Nb、Hf和C等原子比或非等原子比组成；其中，该高温高熵合金以等原子比组成时化学式记为WTaMoNbHfC；该高温高熵合金以非等原子比组成时，化学式记为WaTabMocNbdHfeCf，其中原子百分数a、b、c、d、e和f均为13～20，且a+b+c+d+e+f＝100。本专利技术还提供上述W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金的制备方法，包括如下步骤：1)称取所需重量的W、Ta、Mo、Nb、Hf和C原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；2)进行真空电弧熔炼将真空仓抽真空至5×10-3Pa，再充入99.999％纯度的高纯氩气至真空仓压力为-0.6至-0.8MPa，高纯氩气作为保护气和燃弧介质，熔炼电流为350～450A，熔炼时通冷却水防止水冷铜盘过热熔化，正反面反复熔炼3～5次，合金处于液态时间10-30分钟，冷却后得到W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金铸锭。优选地，步骤1)所述W、Ta、Mo、Nb、Hf原料为各元素的单质材料或彼此之间的中间合金，所述C原料为C元素与W、Ta、Mo、Nb或Hf元素化合的碳化物材料。进一步优选，所述W、Ta、Mo、Nb、Hf的单质材料为各元素的单质粉末或单质颗粒，所述碳化物材料为碳化物粉末或者碳化物颗粒，纯度均为99.9％以上。进一步优选，所述碳化物材料为WC、TaC、MoC、NbC、HfC，纯度均为99.9％以上。进一步优选，所述W为单质粉末、Ta为单质粉末、Mo为单质颗粒、Nb为单质颗粒、Hf为单质颗粒、HfC为碳化物粉末，纯度均为99.9％以上。由于W元素的熔点为3410℃、Ta元素的熔点为2996℃，C元素的熔点为3652℃为避免熔炼时有部分未熔化W、Ta、C残留，所以优选使用W单质粉末、Ta单质粉末、HfC碳化物粉末作为原料，粉末粒度不限。而Mo元素的熔点为2620℃、Nb元素的熔点为2468℃、Hf元素的熔点为2227℃，均较低，熔炼时可以全部熔化，所以选用单质颗粒作为原料，颗粒大小不限。使用中间合金在真空电弧熔炼法中熔炼出的铸锭成分均匀性与使用金属单质类似，如Ta10W、Nb10W10Ta、Mo30W等中间合金均可作为制备W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金的部分原料。本专利技术的优点及有益效果：1、制备步骤简单，易操作，将传统机械合金化法制备高熵合金的制备周期从3天缩短到3小时，同时克服了机械合金化法生产中磨球及磨罐中的物质会进入合金中产生污染的问题，操作过程只有真空电弧熔炼一步，即可制得成分均匀的W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金铸锭。2、获得了体心立方(BCC)结构和面心立方(FCC)结构相混合的双相结构。由于弥散强化和细晶强化的共同作用，合金的强度和硬度同时提高。相比于WTaMoNb高温高熵合金的室温抗压强度1211MPa和显微硬度445HV，WTaMoNbHfC高温高熵合金的室温抗压强度提高到2482MPa，显微硬度提高到1598HV。3、W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金的强度、塑性均比NbMoTaW具有提高，室温抗压强度提升了105％，塑性升了144％，塑性提升使高温高熵合金的抗冲击能力有了大幅改善，在应用于高温领域时，可使材料在断裂前产生明显变形，降低突发事故的发生率。4、经DSC测试证实W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金在室温至1400℃区间内晶体结构稳定，不发生相变，使得W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金比传统镍基高温合金的高温力学性能更加稳定。由于结构稳定，在高温条件下不易被破坏，不易造成事故。5、测得1600℃压缩应变曲线，抗压强度为510MPa，塑性为9.8％。测得1800℃压缩应变曲线，抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金，其特征在于，所述高温高熵合金中由W、Ta、Mo、Nb、Hf和C等原子比或非等原子比组成；/n其中，该高温高熵合金以等原子比组成时化学式记为WTaMoNbHfC；/n该高温高熵合金以非等原子比组成时，化学式记为W

【技术特征摘要】
1.一种W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金，其特征在于，所述高温高熵合金中由W、Ta、Mo、Nb、Hf和C等原子比或非等原子比组成；
其中，该高温高熵合金以等原子比组成时化学式记为WTaMoNbHfC；
该高温高熵合金以非等原子比组成时，化学式记为WaTabMocNbdHfeCf，其中原子百分数a、b、c、d、e和f均为13～20，且a+b+c+d+e+f＝100。


2.一种如权利要求1所述的W-Ta-Mo-Nb-Hf-C高温高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)称取所需重量的W、Ta、Mo、Nb、Hf和C原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；
2)进行真空电弧熔炼
将真空仓抽真空至5×10-3Pa，再充入99.999％纯度的高纯氩气至真空仓压力为-0.6至-0.8MPa，高纯氩气作为保护气和燃弧介质，熔炼电流为350～450A，熔炼时通冷却水防止水冷铜盘过热熔化，正反面反复熔炼3～5次，合金处于液态时间10-30分钟，冷却后得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁秀兵，万义兴，张志彬，胡振峰，莫金勇，沈宝龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11