[发明专利]高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金及其制备方法。该合金的组成元素包括Ti、Zr、Hf、Nb、Sc，该合金中各元素按原子百分比表达为TiZrHfNbSc_x，其中Ti∶Zr∶Hf∶Nb∶Sc＝1∶1∶1∶1∶(0.1～1)。其制备方法包括以下几个步骤：(1)配料：按照设计的合金成分配比精确称量金属Ti、Zr、Hf、Nb、Sc作为原料；(2)装炉：将原料按照熔点由低到高的顺序先后放进水冷铜坩埚中；(3)抽真空：当真空度达到5×10^‑3Pa时，向熔炼设备中充入高纯氩气作为保护气体；(4)预熔炼：采用真空电弧进行金属Ti的熔炼，熔炼1次，时间2～3min；(5)熔炼合金：采用真空电弧熔炼，获得TiZrHfNbSc难熔高熵合金锭。

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

传统的高温合金通常采用铁、镍、钴、铬元素为基，在600℃-1000℃范围内及一定的应力作用下，具有良好的高温强度、抗氧化性和耐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。随着相关领域的高速发展，高温合金的工作环境越来越苛刻，对高温合金的性能要求也越来越高，传统的合金增强增韧手段对高温合金性能的提升似乎已经达到了极限水平。因此，开发新型的满足高温严苛环境应用要求的合金材料得到人们越来越多的关注。

近年来，高熵合金的出现颠覆了传统合金单主元或双主元的合金理论。其采用四种或四种以上元素作为主元，各主元摩尔比相等或相近，且每种主元的含量均在5％-35％之间。由于多主元带来的高熵效应以及阻碍原子运动的晶格畸变，相较传统高温合金，以多种熔点高于1650℃的难熔金属元素作为主元的难熔高熵合金表现出更高的强度、韧性、高温热稳定性、耐腐蚀性、抗氧化性和抗辐照性能等，有望替代传统材料，满足未来更为严苛的高温应用环境，在航天航空、舰船工程、核能等领域具有巨大前景。

目前，难熔高熵合金主要有两大体系：一种是以难熔金属元素W、Mo、Ta、Nb、V为主元的合金体系，如Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅W₂₅、V₂₀Nb₂₀Mo₂₀Ta₂₀W₂₀等。在温度高于800℃时，上述两种合金的屈服强度明显高于镍基Inconel718和Haynes230合金，但存在合金密度较大，室温韧性较差，塑性较低等缺点；一种是以难熔金属元素Ti、Zr、Hf为主元的合金体系，如NbTiVZr、NbTiV₂Zr、CrNbTiZr、CrNbTiVZr、HfNbTaTiZr、TiZrNbHf、TiZrHfSc等，该体系合金密度低、强度高、熔点高等优点，比强度通常也高于大部分高温合金。

综上，难熔高熵合金，特别是TiZrHf系难熔高熵合金，具有极其优异的各项性能，通过成分设计和优化，获得性能更为优异的TiZrHf难熔高熵合金，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金，该合金具有密度较低、室温强度高、压缩变形率高、抗氧化性能好，及高温无相变等诸多优点，应用潜力极大。

本发明的另一目的在于提供一种所述高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金，其组成元素包括Ti、Zr、Hf、Nb、Sc，该合金中各元素按原子百分比表达为TiZrHfNbSc_x，其中Ti∶Zr∶Hf∶Nb∶Sc＝1∶1∶1∶1∶(0.1～1)。

该合金的组织结构为单一无序的简单体心立方固溶体相结构。

所述高强度高韧性TiZrHfNbSc难熔高熵合金的制备方法包括以下几个步骤：