一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，包括以下步骤：对Al、Cr、Nb、Ta和Ti单质原料进行清洗，去除其氧化皮后清洗干燥，按照所设计的原子比例称量并混合，再将处理后的原料放入高真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，对炉内的原料进行熔炼，得到高温耐磨难熔高熵合金铸锭，将得到的合金铸锭放置于水冷铜坩埚内，熔炼后翻转浇铸得到板状高熵合金。本发明专利技术通过在AlCr

【技术实现步骤摘要】
一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法


[0001]本专利技术属于耐磨合金材料
，具体涉及一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法。

技术介绍

[0002]自2004年我国台湾学者叶均蔚等报道了一系列等原子比多主元合金并提出高熵合金设计理念以来，高熵合金因其新颖的合金设计方法，优异的力学及物理化学性能而被学术界广泛关注。此合金设计理念同样适用于难熔高熵合金，难熔高熵合金这一概念旨在突破当前高温合金工作温度低的局限性，研发适用于高温工作条件的耐高温材料。
[0003]随着我国航空、航天等高新技术产业的快速发展，材料的服役环境越来越苛刻，如高温、高速、高压、重载等，对材料综合性能要求越来越高不仅要有高的比强度、抗弯强度、断裂韧性等，而且要有好的耐热性、耐磨性等。例如，新一代高推重比航空发动机的发展迫切需要研发出工作温度更高、服役寿命更长、耐磨性能更好的高温长寿命耐磨材料。难熔高熵合金所具备的高温工作条件，潜在的超强结构稳定性、抗氧化能力和耐磨性可突破当前高温耐磨材料研究的局限性，发展成为满足当前航空、航天发展需求的新型高温长寿命耐磨材料。
[0004]常规工况下高熵合金的摩擦学研究已发展相对较快，其优异的耐磨性和成本优势使其成为替换传统耐磨材料、提高相关机械或工具可靠性和服役寿命的理想选择；高温条件下难熔高熵合金的力学性能和氧化行为研究已普遍展开，其优异的高温力学性能、抗软化能力和抗氧化能力已展现出其成为新一代高温长寿命耐磨材料的发展潜力。
[0005]但目前难熔高熵合金仍存在下列问题：室温脆性问题，组织调控问题，高温氧化失效问题以及高温磨损失效问题，从而导致难熔高熵合金摩擦学性能的研究非常少，且尚未体现其作为潜在高温耐磨材料的重要工程应用价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、原料的表面处理，称取适量的Al、Cr、Nb、Ta和Ti单质原料并进行清洗，去除其氧化皮后清洗并干燥，将原料按照所设计的原子比例再次称量并混合成原料；
[0009]S2、合金的熔炼制备，将S1处理后的原料放入高真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，对炉内的原料进行熔炼，得到高温耐磨难熔高熵合金铸锭；
[0010]S3、合金的翻转浇铸，将S2得到的合金铸锭放置于水冷铜坩埚内，熔炼后翻转浇铸到铜模具中，待炉内自然冷却后取出样品，得到板状高熵合金。
[0011]作为优选的，所述高熵合金成分为AlCr
0.5
NbTa
x
Ti4‑
x
，其中x＝0、0.5或1。
[0012]作为优选的，在S1中Al、Cr、Nb、Ta和Ti的单质原料的纯度大于等于99.99％。
[0013]作为优选的，S2中，使用前先将高真空电弧熔炼炉抽取真空，并充入高纯氩气至0.3～0.5KPa，在熔炼之前，将事先放置于真空炉内的Ti锭熔炼2～3次用于吸收炉体内残余氧气。
[0014]作为优选的，S2中，在原料熔炼完成并彻底冷却后，将其翻面进行重复熔炼，每次熔炼时间为3～4min，重复熔炼的次数为5～6次，熔炼电流为300～600A，重复熔炼完毕后自然冷却的时间为15～20min。
[0015]作为优选的，在S3中，浇铸前的熔炼电流为450～500A，翻转速度保持稳定，浇铸完毕后自然冷却的时间为15～20min。
[0016]作为优选的，在S3中翻转速度保持在2～3s内将铜模具翻转45
°
。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0018]本专利技术通过在通过在AlCr
0.5
NbTa
x
Ti4‑
x
难熔高熵合金中加入Al元素，并改变Ta、Ti元素的含量，实现了合金的轻量化生产以降低成本，通过Al、Cr、Ta元素的作用，使合金在高温磨损过程中形成了以Al、Cr、Ta为主要组成元素的致密氧化膜，从而导致合金磨损率相较于室温明显降低，在高温下仍保持了良好的耐磨性能。这使其有望发展成为满足当前航空、航天发展需求的新型高温耐磨材料。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1和实施例2提供的合金XRD图；
[0020]图2是本专利技术实施例1和实施例2提供的显微组织SEM图；
[0021]图3是本专利技术实施例1和实施例2提供的不同温度梯度下的摩擦系数曲线对比图，其中：
[0022](a)AlCr
0.5
NbTa
0.5
Ti
3.5
的摩擦系数曲线图；
[0023](b)AlCr
0.5
NbTaTi3的摩擦系数曲线图；
[0024]图4是本专利技术实施例1和实施例2提供的不同温度梯度下的磨损率对比图；
[0025]图5是本专利技术实施例1和实施例2提供的不同温度梯度下的磨痕纵截面轮廓对比图，其中：
[0026](a)AlCr
0.5
NbTa
0.5
Ti
3.5
；
[0027](b)AlCr
0.5
NbTaTi3。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]实施例1，本专利技术提供一种技术方案：一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，高熵合金具体为AlCr
0.5
NbTaTi3，包括以下步骤：
[0030]S1、原料的表面处理：
[0031]清洗Al、Cr、Nb、Ta和Ti单质原料，去除其氧化皮后清洗并干燥，按Al：Cr：Nb：Ta：Ti
＝15.4：7.7：15.4：15.4：46.1at.％的原子百分比例称量并混合。
[0032]S2、合金的熔炼制备；将S1处理后的原料放入高真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，关闭炉门后先对高真空电弧熔炼炉炉内进行抽真空处理，待炉内气压降至3～4Pa时充入0.3～0.5kPa的高纯氩气以提供电弧熔炼的气体介质。
[0033]在熔炼之前要先对事先放置在高真空电弧熔炼炉炉内的钛锭进行熔炼以消除炉内可能残留的氧气，然后对高真空电弧熔炼炉炉内的原料进行熔炼，将熔炼电流调节为400～500A，每次熔炼时间为3～4min，设定2A的磁搅拌使合金元素分布更加均匀，每次熔炼完毕后将合金翻面重复5～6次熔炼操作，最后得到AlCr
0.5
NbTaTi3高温耐磨难熔高熵合金铸锭；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、原料的表面处理，称取适量的Al、Cr、Nb、Ta和Ti单质原料并进行清洗，去除其氧化皮后清洗并干燥，将原料按照所设计的原子比例再次称量并混合成原料；S2、合金的熔炼制备，将S1处理后的原料放入高真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，对炉内的原料进行熔炼，得到高温耐磨难熔高熵合金铸锭；S3、合金的翻转浇铸，将S2得到的合金铸锭放置于水冷铜坩埚内，熔炼后翻转浇铸到铜模具中，待炉内自然冷却后取出样品，得到板状高熵合金。2.根据权利要求1所述的一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述高熵合金成分为AlCr
0.5
NbTa
x
Ti4‑
x
，其中x＝0、0.5或1。3.根据权利要求1所述的一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，在S1中Al、Cr、Nb、Ta和Ti的单质原料的纯度大于等于9...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小琳，李浩哲，金池，杨佳伟，花珂，王海丰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：