一种高温耐磨难熔高熵合金及其制备方法

本发明属于高熵合金材料，具体涉及一种高温耐磨难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金这一合金设计理念最早在2004年被我国台湾学者叶均蔚提出并报道。传统合金的设计理念是以混合焓为主导，以一种或两种元素作为主元，在其基础上添加微量元素，从而改善性能。高熵合金的设计理念是以构型熵为主导，四或五种元素等摩尔比或近似等摩尔比混合而成。这种设计理念打破了传统合金的局限性，在金属力学性能、耐磨、耐蚀等多维度获得性能上的突破。难熔高熵合金是一类以难熔金属w、ta、mo、nb、hf、cr、v、zr、ti为主要组成元素的高熵合金。元素自身的超高熔点（一般大于1850 ℃）给合金赋予更高的服役温度。这一特点可以打破ni基高温合金的服役极限，使材料在高温环境下具有更可靠的综合性能。

2、近年来，我国航空航天技术的不断进步和发展使得飞行器热端部件及部分结构件的服役环境更为复杂和苛刻，而目前的航空航天用高温合金材料难以满足期望的使用需求，在更高的工作温度下，高温合金会发生熔化甚至失效，严重影响到飞行器的服役寿命和安全性。因此，复杂的工作环境对金属合金的综合性能要求学来越高，不仅要求有高的比强度、断裂韧性、抗蠕变性能等，还需要有优异的耐热性和耐磨性。

3、常规工况下高熵合金的力学性能和摩擦学研究已有了较多的报道。而难熔高熵合金的高温摩擦学研究相对较少，而且机理研究不够深入。目前难熔高熵合金仍存在高温磨损失效问题，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

1、本发明所要解决的技术问题在于目前难熔高熵合金仍存在高温磨损失效问题，从而提供了一种高温耐磨难熔高熵合金及其制备方法。

2、具体的，本发明第一方面提供了一种高温耐磨难熔高熵合金，该难熔高熵合金化学成分表达式为ti40zr40-xnb10ta10alx，其中，x=5~10，x为al的原子百分数。

3、进一步地，所述难熔高熵合金的铸态组织为单相bcc结构或bcc+b2双相结构。

4、进一步地，在800℃下，所述难熔高熵合金的磨损率低至1.6~9.9×10-5 mm3/(n·m)。

5、进一步地，当x=5时，该合金的化学式为ti40zr35nb10ta10al5；该合金铸态组织为单相bcc结构；该合金在800℃下，磨损率为9.9×10-5 mm3/(n·m)。

6、进一步地，当x=8时，该合金的化学式为ti40zr32nb10ta10al8；该合金铸态组织为bcc+b2双相结构；该合金在800℃下，磨损率为4.2×10-5mm3/(n·m)。

7、进一步地，当x=10时，该合金的化学式为ti40zr30nb10ta10al10；该合金铸态组织为bcc+b2双相结构；该合金在800℃下，磨损率为1.6×10-5 mm3/(n·m)。

8、本发明第二方面提供了一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，包括：将上述中任一项所述的难熔高熵合金的原子比例换算成质量比例并进行称量，将称量好的原料采用真空电弧熔炼的方法制备得到最终的高温耐磨难熔高熵合金。

9、进一步地，所述真空电弧熔炼过程具体包括：将称量好的原料放入真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，al放在最底部，ti和zr放在中间层，nb和ta放在最上层，抽真空后充入高纯氩气进行熔炼，将得到的纽扣形状铸锭吸铸成板状，待炉内样品自然冷却后取出。

10、进一步地，在熔炼之前，将预先放置于真空炉内的ti锭熔炼2～3次，以吸收炉体内残余氧气。

11、进一步地，在进行熔炼时，将熔炼电流调节为355～500 a，每次熔炼时间为3～4min，设定1.5 a的磁搅拌，每次熔炼完毕后将纽扣锭翻转重复熔炼至少7次。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

13、本发明通过在ti40zr40nb10ta10难熔高熵合金中加入al元素，实现了合金的轻量化。al元素的加入，使得合金在高温下形成由al、ti、ta组成的复杂氧化物质，阻碍了氧气进一步腐蚀基体。相较于ti40zr40nb10ta10合金，ti40zr40-xnb10ta10alx合金表面在高温下形成硬质的抗氧化的氧化层，显著提高了合金的高温耐磨性能。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。

技术特征：

1.一种高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，该难熔高熵合金化学成分表达式为ti40zr40-xnb10ta10alx，其中，x=5~10，x为al的原子百分数。

2.根据权利要求1所述的高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，所述难熔高熵合金的铸态组织为单相bcc结构或bcc+b2双相结构。

3.根据权利要求1所述的高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，在800℃下，所述难熔高熵合金的磨损率低至1.6~9.9×10-5 mm3/(n·m)。

4.根据权利要求1所述的高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，当x=5时，该合金的化学式为ti40zr35nb10ta10al5；该合金铸态组织为单相bcc结构；该合金在800℃下，磨损率为9.9×10-5 mm3/(n·m)。

5.根据权利要求1所述的高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，当x=8时，该合金的化学式为ti40zr32nb10ta10al8；该合金铸态组织为bcc+b2双相结构；该合金在800℃下，磨损率为4.2×10-5mm3/(n·m)。

6.根据权利要求1所述的高温耐磨难熔高熵合金，其特征在于，当x=10时，该合金的化学式为ti40zr30nb10ta10al10；该合金铸态组织为bcc+b2双相结构；该合金在800℃下，磨损率为1.6×10-5 mm3/(n·m)。

7.一种高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：将权利要求1-6中任一项所述的难熔高熵合金的原子比例换算成质量比例并进行称量，将称量好的原料采用真空电弧熔炼的方法制备得到最终的高温耐磨难熔高熵合金。

8.根据权利要求7所述的高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述真空电弧熔炼过程具体包括：将称量好的原料放入真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，al放在最底部，ti和zr放在中间层，nb和ta放在最上层，抽真空后充入高纯氩气进行熔炼，将得到的纽扣形状铸锭吸铸成板状，待炉内样品自然冷却后取出。

9.根据权利要求7所述的高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，在熔炼之前，将预先放置于真空炉内的ti锭熔炼2～3次，以吸收炉体内残余氧气。

10.根据权利要求8所述的高温耐磨难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，在进行熔炼时，将熔炼电流调节为355～500 a，每次熔炼时间为3～4 min，设定1.5 a的磁搅拌，每次熔炼完毕后将纽扣锭翻转重复熔炼至少7次。

技术总结
本发明公开了一种高温耐磨难熔高熵合金及其制备方法，属于高熵合金技术领域。目的是解决现存高温合金在高温环境磨损失效问题。该合金组成元素为Ti、Zr、Nb、Ta、Al，化学成分表达式为Ti
技术研发人员：李小琳,金池,杨佳伟,康竣泓,王海丰
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16