一种高硬度Al-Cr-Ti-V-Cu轻质高熵合金及其制备方法

摘要

本发明提供了一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金及其制备方法，属于金属材料和制备的领域。所述的高熵合金主要各组分按原子以下百分比构成为：Al 20～25％，Cr 20～25％，Ti 20～25％，V 20～25％，Cu 0～20％，其中Cu的含量不为0。所述合金的相结构主要表现为由单相的结构逐渐转变为多相结构，主要是从单一的BCC相结构，逐渐转变为BCC+FCC相和少量HCP相的结构，最后转变为FCC+HCP相的结构。并表现出了高的硬度650HV以上以及好的热稳定性。本发明还提供了所述Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu高熵合金的制备方法，采用真空电弧熔炼并直接浇铸得到合金铸锭；制备过程无污染、低能耗、成本低。

权利要求

1.一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：按原子百分比将组分中Al、Cr、Ti、V、Cu进行配料，Al 20～25％、Cr 20～25％、Ti 20～25％、V 20～25％、Cu 0～18％，其中Cu的含量不为0；各成分配比误差在±0.3％范围内；

步骤2：将配好的原料按熔点高低依次放入氧化铝坩埚之中，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层；

步骤3：将钛锭放入非自耗真空电弧熔炼炉中，在氩气气氛保护下先熔化钛锭，以除去炉膛内的氧气；之后再将步骤2中的坩埚及原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，抽真空，在氩气气氛、及电磁搅拌作用下进行熔炼，熔炼完成后得到纽扣状合金铸锭；

步骤4：步骤3获得的合金铸锭按照步骤3所述的方式进行多次反复的熔炼，冷却之后得到高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金。

2.根据权利要求1所述的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，配料前需清除原料表面的氧化皮及清洗，原料的纯度≥99.9wt％。

‑3

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中熔炼时抽真空至5×10 Pa，然后充入氩气的纯度为99.99％，压强为0.06MPa，熔炼电流为300～400A。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中需至少反复熔炼5次以上。

5.根据权利要求1‑4中任一项所述制备方法制备的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，其特征在于，包括以下按原子百分比的组分：Al 20～25％，Cr 20～25％，Ti 20～25％，V 20～25％，Cu 0～18％，其中Cu的含量不为0。

6.根据权利要求1‑4中任一项所述制备方法制备的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，其特征在于，包括以下按原子百分比的组分：Al 20～25％，Cr 20～25％，Ti 20～25％，V 20～25％，Cu 6～18％。

7.根据权利要求5所述的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，其特征在于，所述合金的金相结构为BCC、BCC+FCC或FCC+HCP。

8.根据权利要求5所述的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，其特征在于，硬度在

650HV以上。

说明书

一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 传统合金主要包含一种主元，且在这种主元中添加少量的其它元素所构成的合金。这种设计理念限制了合金性能。因此为打破这种限制，叶均蔚教授等研究并提出了一种新型的合金概念。即由五种及五种以上元素组成，且每种元素的原子百分比在5％～35％之间的合金，并将其命名为高熵合金。高熵合金表现出了优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能等。可以应用于高速切削刀具、涡轮叶片、耐磨涂层等方面。但是为了进一步满足能源交通领域、航空航天领域的要求。对传统的高熵合金进行了轻量化的处理制备出了轻质高熵合金。

[0003] 轻质高熵合金在兼具传统高熵合金的优异性能的同时，还具有密度低的优点。有望替代传统的轻质合金作为轻质功能结构材料去使用。但是目前轻质高熵合金的性能上仍然还有着一些问题。如对轻质高熵合金的高温性能的研究还十分的少，有待进一步进行研究和提升。轻质高熵合金大多数表现为BCC相和多相的结构，所以其室温脆性大，限制了其进一步的应用。

发明内容

[0004] 为进一步改善轻质高熵合金的力学性能，本发明提供了一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金及其制备方法。本发明的Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金表现出了高的硬度和良好的热稳定性。

[0005] 为了达到以上的目的，本发明通过以下的技术方案实现：

[0006] 一种高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

[0007] 步骤1：按原子百分比将组分中Al、Cr、Ti、V、Cu进行配料，Al 20～25％、Cr 20～25％、Ti 20～25％、V 20～25％、Cu 0～20％，其中Cu的含量不为0；各成分配比误差在±
0.3％范围内；

[0008] 步骤2：将配好的原料按照熔点高低依次放入氧化铝坩埚之中，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层；

[0009] 步骤3：将钛锭放入非自耗真空电弧熔炼炉中，在氩气气氛保护下先熔化钛锭，以除去炉膛内的氧气；之后再步骤2中的坩埚及原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，抽真空，在氩气气氛、及电磁搅拌作用下进行熔炼，熔炼完成后得到纽扣状合金铸锭；

[0010] 步骤4：步骤3获得的合金铸锭按照步骤3所述的方式进行多次反复的熔炼，冷却之后得到高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金。

[0011] 进一步地，组分Al、Cr、Ti、V、Cu的原子百分比为：Al 20～25％、Cr 20～25％、Ti 20～25％、V 20～25％、Cu 6～18％。

[0012] 进一步地，配料前需清除原料表面的氧化皮及清洗，原料的纯度≥99.9wt％。

[0013] 进一步地，步骤3中熔炼时抽真空至5×10‑3Pa，然后充入氩气的纯度为99.99％，压强为0.06MPa，熔炼电流约为300～400A。

[0014] 进一步地，步骤4中需至少反复熔炼5次以上。

[0015] 所述制备方法制备的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，其特征在于，包括以下按原子百分比的组分：Al 20～25％，Cr 20～25％，Ti 20～25％，V 20～25％，Cu 0～20％，其中Cu的含量不为0。

[0016] 进一步地，所述高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金包括以下按原子百分比的组分：Al20～25％，Cr 20～25％，Ti 20～25％，V 20～25％，Cu 6～18％。

[0017] 进一步地，所述合金的金相结构为BCC、BCC+FCC或FCC+HCP，硬度在650HV以上。

[0018] 有益技术效果:

[0019] 本发明的所述的制备方法高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，由于所用的合金成分Ti、Cr、V等具有较高的硬度，且高熵合金的晶格畸变较大，从而引起固溶强化效应使得合金的硬度提高。

[0020] 另外富Cu相在晶界处的析出，也起到了一定的析出强化的作用；随着Cu含量的增加，晶界处析出了富Cu的FCC相。从而使得合金由单一的BCC相结构逐渐转变为BCC+FCC相结构，最后转变成FCC+HCP的相结构。在多种强化机制的共同作用下，使得合金表现出了高的硬度；合金的硬度均在650HV以上，具有高的硬度且在1000℃以下表现出了良好的热稳定性。

附图说明

[0021] 图1分别为实施例1、实施例2、实施例3的XRD图谱

[0022] 图2为实施例1的微观组织形貌。

[0023] 图3为实施例2的微观组织形貌。

[0024] 图4分别为实施例3的微观组织形貌。

[0025] 图5为实施例2的DSC曲线图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0027] 下面将结合本发明的实例，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述。以下只是本发明中的一部分实例，并不是全部的实例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0028] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

[0029] 实施例1

[0030] 本实施例中的高硬度Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下Al 24％、Cr 24％、Ti 23％、V 23％、Cu 6％，表示为Al24Cr24Ti23V23Cu6轻质高熵合金。

[0031] 以上Al24Cr24Ti23V23Cu6轻质高熵合金制备方法如下：

[0032] (1)按照配比准备所述金属原材料Al、Cr、Ti、V、Cu以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180W及频率为40KHz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。

[0033] (2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸附保护气氛中残留的氧气，以降低高熵合金熔炼时的氧化行为。再按照配比放入上述金属‑3原材料，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5×10 Pa后，充氩气至
0.06MPa。在氩气保护下于电流350A进行电弧熔炼1min，熔炼过程中需开启电磁搅拌。所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。

[0034] (3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度Al24Cr24Ti23V23Cu6轻质高熵合金。

[0035] 实施例2

[0036] 本实施例中高硬度的Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下Al 21％、Cr 21％、Ti 22％、V 23％、Cu 13％，表示为Al21Cr21Ti22V23Cu13轻质高熵合金。

[0037] 以上Al21Cr21Ti22V23Cu13轻质高熵合金制备方法如下：

[0038] (1)按照配比准备所述金属原材料Al、Cr、Ti、V、Cu以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180W及频率为40KHz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。

[0039] (2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸附保护气氛中残留的氧气，以降低高熵合金熔炼时的氧化行为。再按照配比放入上述金属‑3原材，熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5×10 Pa后，充氩气至
0.06MPa，在氩气保护下于电流350A进行电弧熔炼1min，所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。

[0040] (3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度Al21Cr21Ti22V23Cu13轻质高熵合金。

[0041] 实施例3

[0042] 本实施例中高硬度的Al‑Cr‑Ti‑V‑Cu轻质高熵合金，各元素的原子百分比如下Al 21％、Cr 20％、Ti 21％、V 20％、Cu 18％，表示为Al21Cr20Ti21V20Cu18轻质高熵合金。

[0043] 以上Al21Cr20Ti21V20Cu18轻质高熵合金制备方法如下：

[0044] (1)按照配比准备所述金属原材料Al、Cr、Ti、V、Cu以及金属钛块，对原材料以及金属钛块用砂纸打磨去除表面的杂质和氧化物，各金属原材料的纯度均高于99.9wt％，打磨后使用丙酮为清洗溶剂，在功率为180W及频率为40KHz的超声波清洗机中进行振荡清洗5min，烘干。

[0045] (2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块，让钛块熔化时吸附保护气氛中残留的氧气，以降低高熵合金熔炼时的氧化行为。再按照配比放入上述金属‑3原材料熔点最低的放在底层，熔点最高的放在上层。抽真空达到5×10 Pa后，然后充氩气至
0.06MPa，在氩气保护下于电流350A进行电弧熔炼1min，所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性，冷却后，得到纽扣样品。

[0046] (3)对所述纽扣样品进行重复5次所述电弧熔炼过程，在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述纽扣样品进行翻转，多次电弧熔炼过程结束后，冷却并去除所述纽扣样品的表面氧化层，再重复一次所述电弧熔炼过程，冷却后得到高硬度Al21Cr20Ti21V20Cu18轻质高熵合金。

[0047] 对实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金采用Rigaku X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40KV和190mA，X射线源为CuKα(λ＝0.1542nm)射线，扫描角度2θ范围为10°～90°。本实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金XRD谱图如图1所示，由图1可知，实施例1的Al24Cr24Ti23V23Cu6表现出单一的BCC相的结构；实施例2的Al21Cr21Ti22V23Cu13表现出FCC+BCC相以及少量低的HCP相的结构；实施例3的Al21Cr20Ti21V20Cu18轻质高熵合金表现出FCC+HCP相的结构。

[0048] 对实施例1、实施例2和实施例3的轻质高熵合金使用FEI NovaNano450场发射扫描电子显微镜对其表面形貌进行分析。放大倍率范围40～1000000倍；着陆电压50V～30KV；电子束流5pA～100nA。结果如图2、图3和图4所示。从这三幅图中可以看出实施例1表现出了等轴晶的组织，晶粒较为粗大。实施例2和实施例3则表现为典型的等轴晶的组织。

[0049] 对实施例2进行了DSC曲线测试，使用德国耐驰STA 449 F3综合热分析仪，升温速率为10K/min。测试最高温度为1100℃。结果如图5所示，从图中可以看出在1000℃之前。DSC曲线中并无明显的吸热峰，说明本发明的合金在1000℃温度之下并无明显的相变发生。表现出了良好的热稳定性。

[0050] 对以上实例进行硬度的测试，测试数据见表1。

[0051] 硬度测试方法：利用HVS‑1000型数显显微硬度计，在100g力的载荷下，用136°维氏金刚石棱锥在抛光后的横截面上测量15s的维氏显微硬度，每个试样上测量5个点，最后将数据取平均值。

[0052] 表1实施例1、实施例2、实施例3各个轻质高熵合金的硬度值

[0053]  硬度(HV)
实施例1 796
实施例2 725
实施例3 676

[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。