一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法。其中，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式为V

【技术实现步骤摘要】
一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法
本专利技术属于难熔共晶高熵合金以及高温金属结构材料领域，提供了一种具有超高高温强度的VNbMSi系轻质难熔共晶高熵合金及其制备方法，该合金在高温结构材料领域具有广阔的应用前景。
技术介绍
高温金属结构材料是应用于飞机和航天器的发动机上各种热端部件的关键材料。先进航空航天器的发展不仅要求高温金属结构材料具有更高的承温能力、更优异的综合性能(强度、韧性、蠕变、抗疲劳等)，又要具有较低的密度。传统的镍基、钴基高温合金的密度在8.5g/cm3以上，使用温度在1100℃以内，已接近其熔点的90％，高密度和低熔点的特点限制了其进一步应用和发展。传统的合金化设计思想均是以一种元素为主组元，通过添加辅助元素进行组织性能调控，实现性能的提升和突破。但对于传统的镍基、钴基高温合金而言，使用温度已接近其极限，通过这种思想很难进一步提高其性能，必须寻求新的材料体系与技术途径。高熵设计理念的出现为高温结构材料的成分设计及相组织调控提供了更大的自由度。高熵合金是指合金中包含三种或三种以上主要元素的新型金属材料。高熵合金的设计理念与传统的合金设计完全不同。与传统合金设计中偏居相图一角相比，高熵合金的设计展开了对相图中心区域的探索。高熵合金的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散和鸡尾酒效应，有望提高合金的高温组织稳定性和蠕变抗力。早期高熵合金的研究更多围绕如何形成简单的面心立方(FCC)、体心立方(BCC)或密排六方(HCP)结构的单相固溶体。然而，单相结构的高熵合金往往难以满足材料应用的性能需求。随着该领域的不断发展，在高熵合金中通过共晶反应或脱溶析出引入有序化合物相，并与基体相形成协同强化已成为一种重要的手段。公开号为CN108950349A，公开日为2018年12月7日，名称为“一种CoFeNi2VZrx共晶高熵合金及其制备方法”的中国专利文献公开了一种CoFeNi2VZrx的共晶高熵合金。但是需要指出的是，该专利文献所公开的技术方案中，共晶高熵合金由FCC固溶体相和Ni7Zr2型金属间化合物相组成。公开号为CN110499445A，公开日为2019年11月26日，名称为“一种共晶高熵合金及其制备方法”的中国专利文献公开了一种共晶高熵合金。在该专利文献所公开的技术方案中，其公开了一种CoaCrbFecNidMe共晶高熵合金，其中Me为Hf、Nb、Ta、Zr中的一种，其中共晶组成相为FCC固溶体相和Laves相。而且该专利文献所公开的技术方案中，通过电弧熔炼制备的纽扣合金锭常常无法获得均匀细小的凝固组织。公开号为CN107557643A，公开日为2018年1月9日，名称为“一种CoFexNiyV0.5Nbz高熵合金及其制备方法”的中国专利文献公开了一种CoFexNiyV0.5Nbz高熵合金，其共晶组织同样由FCC固溶体相和Laves相组成。经上述检索发现，目前报道共晶高熵合金的设计多聚焦于向FCC固溶体相中引入金属间化合物，但受限于FCC固溶体相强度不足和熔点低的特点，此种共晶高熵合金难以承受高温条件的考验。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法。为了克服现有技术中高温金属结构材料存在的密度高、熔点低等问题，本专利技术通过向由难熔金属V、Nb等形成的BCC结构的固溶体相中引入Si元素获得有序硅化物相，形成BCC固溶体+有序硅化物相共晶组织达到双相协同强化的目的，具有超高的熔点和优异的高温性能。其中V在难熔元素中密度最低，大量引入V元素有助于降低固溶体相的密度，从而降低合金的整体密度。本专利技术制备的难熔共晶高熵合金的密度低于7.5g/cm3，远低于传统镍基、钴基高温合金，该轻质难熔耐高温共晶高熵合金具有广阔的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术提出了下述技术方案：第一方面，本专利技术提出了一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式为VaNbbMcSid，所述M为Ti、Zr、Ta、Mo、Cr、Al中的一种或多种元素，化学表达式中的a、b、c、d分别代表对应元素的摩尔百分比，其中，0<a≤45，0<b≤35，0<c≤35，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。本专利技术所选主要元素，V和Nb在元素周期表中同处于第V副族，具有相似的化学性质，他们都能与Si形成具有化学式为Nb5Si3和V5Si3的金属间化合物。相应的，在本专利技术中的VaNbbMcSid合金中，当M为Ti、Cr、Mo、Zr、Ta以及Al元素中的一种或多种时，均可获得化学式为M5Si3的金属间化合物，当M的添加量处在VNb的固溶度之内时，便可获得由VNbM构成的体心立方结构的固溶体相与四方或六方结构的(VNbM)5Si3有序化合物相组成层片状共晶合金。Ti、Zr有助于降低体心立方固溶体合金的价电子浓度，有利于提高合金的塑性；Cr、Al有助于提高合金的高温抗氧化性能；Ta、Mo有利于提高合金的高温强度。优选地，M为Ti或Ti与Cr、Mo、Zr、Ta以及Al元素中的一种或多种元的组合时，a＝30～40，b＝27～35，c＝10～25，d＝12～17。更为优选地，当M为Ti时，a＝35～40，b＝30～35，c＝10～15，d＝12～17；当M为Ti、Mo时，a＝30～35，b＝27～32，c＝20～25,d＝12～17；当M为Ti、Cr时，a＝33～38，b＝27～32，c＝16～25，d＝12～17。需要说明的是，例如当M为Ti时，a＝39，b＝33，c＝12，d＝16，则所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式为V39Nb33Ti12Si16；当M为Ti、,Mo时，a＝32，b＝29，c＝23(其中，Ti为16，Mo为7)，d＝16，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式V32Nb29Ti16Mo7Si16；当M为Ti、Cr时，a＝37，b＝31，c＝17(其中，Ti为12，Cr为5)，d＝15，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式V37Nb31Ti12Cr5Si15。需要说明的是，针对目前高温金属结构材料存在的密度高、熔点低等问题，本案提出了一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法。其中M可以是Ti、Zr、Ta、Mo、Cr、Al中的一种或多种元素。该合金由体心立方结构的VNbM固溶体相与四方或六方结构的(VNbM)5Si3有序化合物相组成层片状共晶组织，其中固溶体相提供必要的室温塑性，有序化合物相提供高温强度和蠕变抗力。此外，在合金设计过程中充分利用Ti、Zr、Ta、Mo、Cr、Al等元素对合金强韧性、抗氧化、抗腐蚀、高温稳定性的积极影响，使合金的综合性能十分优异。优选地，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金由体心立方结构的VNbM固溶体相与四方或六方结构的(VNbM)5Si3有序化合物相组成层片状共晶组织，层片间距小于1微米。优选地，所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金的密度5.5～7.5g/cm3，室温的压缩屈服强度≥15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金，其特征在于，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式为V

【技术特征摘要】
1.一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金，其特征在于，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金的化学成分表达式为VaNbbMcSid，所述M为Ti、Zr、Ta、Mo、Cr以及Al中的一种或多种元素，化学表达式中的a、b、c、d分别代表对应元素的摩尔百分比，其中，0<a≤45，0<b≤35，0<c≤35，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。


2.根据权利要求1所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金，其特征在于，所述轻质难熔耐高温共晶高熵合金包括体心立方结构的VNbM固溶体相与四方或六方结构的(VNbM)5Si3有序化合物相组成层片状共晶组织，层片间距小于1微米。


3.根据权利要求1所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金，其特征在于，当M为Ti时，a＝35～40，b＝30～35，c＝10～15，d＝12～17；当M为Ti、Mo时，a＝30～35，b＝27～32，c＝20～25，d＝12～17；当M为Ti、Cr时，a＝33～38，b＝27～32，c＝16～25，d＝12～17。


4.根据权利要求1所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金，其特征在于，所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金的密度5.5～7.5g/cm3，室温的压缩屈服强度≥1500MPa，在800℃的压缩屈服强度为1200～1400MPa，900℃的压缩屈服强度为900～1150MPa，1000℃的压缩屈服强度为450～560MPa。


5.一种制备如权利要求1-4中任意一项所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1：按照如权利要求1所述的轻质难熔耐高温共晶高熵合金的元素比例称取构成合金的冶炼原料金属，各个冶炼原料金属的纯度均高于99.95％；

【专利技术属性】
技术研发人员：疏达，吴明旭，王舒滨，祝国梁，汪东红，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31