[发明专利]一种TiZrNbVMox高熵合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备领域，提供了一种成分为TiZrNbVMo_x(x为摩尔比，x=0～1.0)的高熵合金及其制备方法。

背景技术

一直以来，传统的合金设计方法都是以一种或两种元素作为主要组元，再通过添加其他元素来改善材料的组织和性能，如镁合金、铝合金、钛合金以及块体非晶合金等。传统晶体学理论认为，合金中组元过多会导致多种金属间化合物和其他复杂组织的形成，使其丧失机械性能，难以后续加工。多年来，传统合金体系的发展已趋于饱和。2004年，台湾学者叶均蔚等率先提出新的合金设计理念，即多主元高熵合金。所谓多主元合金，是指含有多个主要元素（五元以上）的合金，其中每个主元的原子分数在5%～35%。由于合金的组元种类多且含量都很高，其原子排列混合熵很高，因此这种合金被称为多主元高熵合金。

研究结果表明，高熵合金倾向于形成简单的面心立方（FCC）或体心立方（BCC）甚至非晶相，形成的相的数量远低于根据相平衡规律预测得到的数量。高熵合金具备优良的综合性能，例如高强度、高硬度、大加工硬化能力、抗高温软化、耐腐蚀和高电阻率等。因此，

高熵合金具有广阔的应用前景。例如：高强度、高硬度的刀具、模具；耐磨抗腐蚀涂层；涡轮叶片、焊接钎料及热交换器耐热材料；高强结构材料；生物医用材料等。

目前研究的高熵合金大部分基于后过渡族金属，Fe、Co、Ni、Cu等，例如：AlCrFeCoNi、AlCrCuFeMnNi、FeCoCrNiMn、AlCuFeCoNi、AlTiCrFeCoNi等。基于高熔点元素，如Ti、Zr、Nb、Mo、Ta、W等的高熵合金体系鲜有研究。考虑到这些元素的高熔点和良好的生物相容性等特殊性能，开展该体系高熵合金的研究，有望在高强结构材料、高温结构材料、生物医用材料等领域得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于开发出具有优异力学性能的高熔点高熵合金，该高熵合金具有简单的体心立方结构，同时具备很高的压缩强度和良好的压缩塑性。

本发明选用的高熵合金体系为TiZrNbVMo_x，所采用的组元元素均具有高熔点，且在高温下均为体心立方结构。利用本发明的制备工艺可以获得具有简单体心立方结构的高熵合金棒。该高熵合金成分中Mo含量x的取值范围为0～1.0。随着Mo含量的升高，合金的压缩屈服强度升高，压缩塑性降低，硬度升高。

本发明采取的技术方案为：一种高熵合金材料，成分为TiZrNbVMo_x，其中x为摩尔比，x的取值范围为0～1.0。更具体而言，x可以取0、0.3、0.5、0.7、1中的任意一个。所述高熵合金所采用的Ti、Zr、Nb、V、Mo冶炼原料纯度不低于99.9%。

本发明所采用的技术方案还包括：一、采用纯度99.9%以上的冶金原料Ti、Zr、Nb、V和Mo元素，按照摩尔比进行精确称量配比，供熔料制备合金使用；二、使用机械方法去除原料金属Ti、Zr、Nb、Mo的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波震荡清洗原料金属；三、使用真空非自耗钨电极电弧炉或者冷坩埚悬浮炉熔炼合金，对样品室抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa后，充入工业氩气直到炉内压力达到半个大气压；四、熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，取Mo金属原料和Ti金属原料按质量比2:1—1:1熔炼成中间合金，同时将剩余的金属原料熔炼在一起，最后再将两份中间合金熔炼在一起得到目标合金。每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在30-60秒钟，待合金块冷却后将其翻转，如此重复3次以上；五、待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸或者金属模设备，将合金吸铸或浇铸到铜模中，获得高熵合金棒或板状试样。

与传统晶体材料相比，本发明的高熵合金表现出高硬度、屈服强度和断裂强度，与其他的高强度体心结构高熵合金相比，本发明的高熵合金具有更好的塑性变形能力。

附图说明

图1例示了TiZrNbVMo_x（x=0，0.3，0.5，0.7，1.0）高熵合金的XRD图谱。

图2例示了图1中（110）衍射峰的放大图。

图3例示了TiZrNbVMo_x（x=0，0.3，0.5，0.7，1.0）高熵合金的扫描电镜背散射照片，其中（a）表示TiZrNbV合金，（b）表示TiZrNbVMo_0.3合金，（c）表示TiZrNbVMo_0.5合金，（d）表示TiZrNbVMo_0.7合金，（e）表示TiZrNbVMo合金。