难熔高熵合金的熔炼方法技术

本发明专利技术涉及合金加工技术领域，尤其涉及一种难熔高熵合金的熔炼方法。所述熔炼方法包括以下步骤：称取不同的难熔金属单质，分层平铺；用等离子束扫描并加热结晶坩埚难熔金属单质形成熔炼体；用等离子束扫描结晶坩埚熔炼体进行热混合，引锭冷却凝固后制得难熔高熵合金。本发明专利技术的熔炼方法采用等离子束高温高能轰击各原料，各原料熔融后充分溶解和扩散，消除了成分偏析，所熔炼的合金的成分均匀，保证了难熔高熵合金的原料利用率。熔高熵合金的原料利用率。熔高熵合金的原料利用率。

【技术实现步骤摘要】
难熔高熵合金的熔炼方法


[0001]本专利技术涉及合金加工
，尤其涉及一种难熔高熵合金的熔炼方法。

技术介绍

[0002]难熔高熵合金被认为是很有潜力的高温合金替代材料，组成该类合金的主要组元均为熔点高于1650℃的金属元素，包括钛、锆、铪等。难熔高熵合金在高温领域应用前景广泛，但难熔高熵合金的高熔点、高硬度优势导致采用传统铸造、机械加工等技术难以获得力学性能好的结构件。难熔高熵合金的研发技术难点主要是难熔高熵合金成形机理复杂，难以精准预测材料结构性能，合金固溶强化效果强烈，材料塑性较差，难熔高熵合金熔点高，加工难度很大。
[0003]难熔高熵合金与其他高熵合金一样，也具有在热力学上高混合熵效应，在结构上的晶格畸变效应及在力学性能上的鸡尾酒等效应。现有的研究表明，难熔高熵合金兼具结构强度和冲击反应释能特性，在高温高压下能够发生剧烈放热反应，能够制成结构件使用，尤其是由Nb、Ta、Hf、Zr等难熔元素组成的难熔高熵合金，因其熔点高(2000℃以上)，耐高温性能优异，冲击反应释能效果好，在航空、航天、武器装备、核能等领域具有广阔的应用前景。
[0004]目前，难熔高熵合金的熔炼方法主要有真空熔炼法(包括电弧熔炼和真空感应熔炼)、粉末冶金法、机械合金化法、激光熔覆法、电化学沉积法等。电弧熔炼是一种制备高熵合金块体的常用方法，熔炼温度高，可以用来制备难熔高熵合金，但是其成型尺寸较小，一般用在实验室制备小试样；真空感应熔炼可以用来制备大尺寸高熵合金，但是其熔炼温度一般在1800℃以下，难以用来制备难熔高熵合金；粉末冶金法受成型模具尺寸影响，通常用来制备小尺寸、形状简单的高熵合金，另外其加工的流程长，材料致密度低，杂质含量较高；机械合金化法、激光熔覆法、电化学沉积法等常用来制备粉末、涂层和薄膜。现有技术中，虽然加工高熵合金发展了很多制备方法，但是这些方法都普遍只能用来制备小尺寸试样（＜100mm）或者低熔点(＜1800℃)高熵合金，难以用来制备高熔点、大尺寸的高熵合金，而且合金中低熔点的金属也容易挥发。因此，大尺寸难熔高熵合金的制备已经成为限制其在高温合金领域中应用的关键难题。
[0005]鉴于此，提供一种新的熔炼大尺寸难熔高熵合金的方法，有重要的意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种大尺寸难熔高熵合金的熔炼方法，解决了大尺寸难熔高熵合金难以直接加工以及加工过程金属元素容易烧损挥发的技术问题。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种大尺寸难熔高熵合金的熔炼方法，所述熔炼方法包括以下步骤：S1备料：提供待熔炼料，所述待熔炼料从下到上依次水平铺设有多层分层体，每层所述分层体为一种金属单质；
S2熔炼：用等离子束扫描并加热所述金属单质，形成熔炼体；S3引锭凝固：用等离子束扫描所述熔炼体进行热混合，引锭冷却凝固后制得大尺寸难熔高熵合金。
[0008]进一步的，步骤S1备料中，所述金属单质包括高熔点单质和/或低熔点单质，所述高熔点单质包括钪、钛、钒、铬、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨中的任意四种或四种以上，所述低熔点单质包括铝、锰、铁、镉、钴、镍、铜、锌、锗、银中的任意一种或任意几种。
[0009]本专利技术采用等离子束冷炉床熔炼技术可以解决大尺寸难熔高熵合金的熔炼制备及合金中低熔点（例如铝、铁等）金属易挥发的问题，优选的，步骤S1备料中，选择单质金属Ti、Zr、Nb、Ta、V和Al，从下至上依次铺设Ti、Zr、Al、Nb、V和Ta，得到待熔炼体，其中，上述原料放置顺序的目的是为了避免低熔点的Al过烧而挥发，同时可提高Ti
‑
Zr
‑
Nb
‑
Ta
‑
V
‑
Al合金的合金化效果。
[0010]进一步优选的，上述Ti
‑
Zr
‑
Nb
‑
Ta
‑
V
‑
Al合金中，可将Al替换为Sn、Fe、Mn等，其他操作不变。
[0011]进一步的，步骤S2熔炼中，所述熔炼体通过如下步骤得到：S21预热：真空中，等离子束扫描所述金属单质的表面进行预热，预热5min，温度为800℃～1000℃；S22初熔：预热后，控制电场强度为15V/cm进行初熔，温度升至3000℃以上，熔炼60～100min，熔化速率控制在2～4kg/min，形成初熔体；S23合金化：初熔后，控制电场强度为20V/cm，等离子束扫描所述初熔体精炼，精炼时间60～100min，温度控制2000～3000℃，合金化形成熔体。
[0012]预热过程中等离子弧柱为细束形状，因此也称之为等离子束，均匀地扫描原料表面，确保后续熔化过程中，不会出现局部过冷太大，导致合不熔块或夹杂的产生。
[0013]所述等离子弧束的扫描速度控制电场强度为20V/cm，保证熔融合金表面完全为熔融态，无凝固区域，从而保证铸锭的均匀性及精炼效果。
[0014]进一步的，步骤S21预热中，所述等离子束A扫描时通入工作气体。
[0015]进一步的，所述工作气体为氩气或氦气中的任意一种。
[0016]进一步的，步骤S21预热中，所述真空的真空度为≤3
×
10
‑3Pa。
[0017]进一步的，步骤S21预热中，所述等离子束A的功率为200kW。
[0018]进一步的，步骤S3引锭凝固中，所述等离子束B的功率为200kW，电场强度为20V/cm。
[0019]进一步的，步骤S3引锭凝固中，所述引锭冷却凝固的冷媒为水。
[0020]本专利技术熔炼制备大尺寸难熔高熵合金的原理是：难熔金属单质分层平铺，在等离子束的高温高能轰击下熔化形成熔池，同时由于等离子束是高速和旋转的，因此形成熔池的同时，熔化的不同难熔金属单质扩散混合，从而合金化得到熔炼体；在熔炼体引锭冷却凝固前，再采用等离子束进行热混合，熔液的金属元素成分充分的扩散，从而消除了大尺寸难熔高熵合金的成分偏析。具体的，
①
等离子作为热源熔炼难熔高熵合金时，等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作，可以防止Al、Sn、Fe、Mn等熔点较低、挥发性较高的元素挥发，可以实现高合金化难熔高熵合金的元素含量的精确控制；
②
等离子枪产生的Ar等离子束是高速和旋转的，对熔池内的合金熔液能起到搅拌作用，有助于合金成分的均匀化；
③
等离子冷炉床熔炼时熔池大、深度相对较深，可以实现熔液的充分扩散。
[0021]④
等离子是在接近大气压气氛下工作，不受原材料种类的限制，可以利用难熔金属单质原料、合金化后的原料、回炉料、残料等。
[0022]本专利技术中，高熔点单质是指熔点＞1650℃的金属单质，例如，Nb、Ta、Hf、Zr、Ti、Zr、Nb、V和Ta等金属；低熔点单质是指熔点＜1650℃的金属单质，例如，Al、Sn、Fe、Mn等金属；本专利技术的大尺寸难熔高熵合金是指尺寸＞200mm且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种难熔高熵合金的熔炼方法，其特征在于，所述熔炼方法包括以下步骤：S1备料：提供待熔炼料，所述待熔炼料从下到上依次水平铺设有多层分层体，每层所述分层体为一种金属单质；S2熔炼：用等离子束扫描并加热所述待熔炼料，形成熔炼体；S3引锭凝固：用等离子束扫描所述熔炼体进行热混合，引锭冷却凝固后，制得大尺寸难熔高熵合金。2.根据权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于，步骤S1备料中，所述金属单质包括高熔点单质和/或低熔点单质，所述高熔点单质包括钪、钛、钒、铬、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨中的任意四种或四种以上，所述低熔点单质包括铝、锰、铁、镉、钴、镍、铜、锌、锗、银中的任意一种或任意几种。3.根据权利要求1或2所述的熔炼方法，其特征在于，所述金属单质为片状或颗粒状。4.根据权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于，步骤S2熔炼中，所述熔炼体通过如下步骤得到：S21预热：真空中，等离子束扫描所述待熔炼料的表面进行预热，温度达到800℃～1000℃；S22初熔：预热后，控制电场强度为15V/cm进行初熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜韬，胡仔健，邹健，郭建龙，
申请(专利权)人：宁夏北鼎新材料产业技术有限公司，
类型：发明
国别省市：