一种高强度及高抗氧化性难熔高熵合金及其制备方法与流程

本发明属于高熵合金，涉及一种高强度及高抗氧化性难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空发动机和燃气轮机的快速发展，对高温材料的性能提出了更高的要求。然而，目前广泛使用的镍基高温合金存在固有熔点(1300℃)的限制，因而难以满足较高的使用要求。贵金属合金(例如ptir合金和ptrh合金)具有更高的熔点和优异的抗氧化性，但是铱、铑、铂均属于贵金属，其价格昂贵，并且使用过程中氧化挥发严重，从而限制了其发展。近年来，高熵合金的概念被提出，其通常由四种及以上元素等摩尔比或非等摩尔比组成。其中，难熔高熵合金由于其高熔点、热稳定和优异的高温强度引起了人们的广泛关注。

2、然而，现有多数难熔多主元合金主要由nb、mo、ta、w、ti、zr等元素组成，其在高温下难以形成致密的氧化膜从而表现出较差的高温抗氧化性。

3、因此，有必要提供一种高强度及高抗氧化性难熔高熵合金及其制备方法，通过合理的合金成分设计，结合适宜的制备方法，获得具有高强度及高抗氧化性的难熔高熵合金。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的问题，本发明通过合理的合金成分配比，一方面，合金构成元素种类较少，同时，合金元素构成中，除pt外，其余均不属于贵金属，有效降低合金制造成本；另一方面，合金不仅能够形成氧化层，有效阻止合金氧化挥发，还能有效阻止氧、氮渗透氧化层向内扩散，从而显著提升合金高温抗氧化性，使合金兼具高强度及良好的高温抗氧化性能。结合制备方法，使合金熔炼后，更加均匀，有利于提升合金制成的铸件的使用性能。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

3、本发明一方面提出了一种高强度及高抗氧化性难熔高熵合金，所述合金化学成分表达式为ptxcrtati，合金中成分元素摩尔比为pt：cr：ta：ti＝x:1:1:1，其中x＝0.1～1。

4、本发明另一方面提出了一种制备上述合金的方法，所述制备方法包括以下步骤：

5、(1)预处理：去除单质金属pt、cr、ta、ti表面氧化层，先对单质金属进行超声清洗，然后对单质金属进行烘干，烘干后进行酸洗，然后再对单质金属进行超声清洗，最后再对单质金属进行清洗，烘干后得到洁净的单质金属；

6、(2)真空电弧熔炼：按照难熔高熵合金元素摩尔比称量单质金属，按照从下到上依次为cr、ta、ti、pt的顺序将单质金属放入水冷铜模坩埚中，在氩气环境下，对单质金属进行真空电弧熔炼，熔炼过程中，对合金进行翻面，翻面熔炼至少5次，熔炼后冷却得到合金铸锭。

7、作为优选，所述单质金属pt、cr、ta、ti的纯度均为99.99％。

8、作为优选，所述步骤(1)中，第一次超声清洗使用无水乙醇作为清洗液，清洗时间为10-15min。

9、作为优选，所述步骤(1)中，烘干温度为100℃，烘干时间为2h。

10、作为优选，所述步骤(1)中，使用氢氟酸进行酸洗，酸洗时间9-15min。

11、作为优选，所述步骤(1)中，第二次超声清洗使用清水作为清洗液，每清洗9-15min后，更换清水，重复清洗5次以上。

12、作为优选，所述步骤(1)中，最后使用无水乙醇进行清洗，清洗时间为10min。

13、作为优选，所述步骤(2)中，首先将熔炼环境抽至真空，然后充入氩气至0.04-0.05mpa，熔炼开始时，首先调整引弧电流为50-100a，待pt、ti全部熔化后，将引弧电流调节至150-220a继续熔炼，熔炼至少5min后进行翻面。

14、作为优选，所述步骤(2)中，第一次翻面时，将合金置于水冷铜模坩埚边缘进行熔炼，此后每次翻面，均将合金置于水冷铜模坩埚边缘处进行熔炼，最后一次翻面时，将合金置于水冷铜模坩埚中心进行熔炼。

15、本发明的有益效果：

16、1.本发明通过合理设计合金成分，使合金形成氧化层，对元素氧化挥发形成阻止效果，同时有效阻止氧、氮渗透氧化层向内扩散，从而显著提升合金高温抗氧化性能。

17、2.本发明通过合理设计合金成分，使合金在具备优异的高温抗氧化性能的同时，强度能够达到2559mpa，合金同时具有较高强度。

18、3.本发明合金成分中，pt金属熔点为1768.3℃，cr金属熔点为1907℃，ta金属熔点为3017℃，ti金属熔点为1668℃，金属熔点差距较大，特别是ta金属熔点较高，熔炼过程中，容易出现低熔点元素熔化而高熔点元素在熔融态合金中无法完全均匀熔化的情况，通过将合金放置于水冷铜模坩埚边缘进行熔炼，已经熔化的合金沿坩埚侧壁逐渐流至水冷铜模坩埚中心，未熔化的合金暂时停留在坩埚边缘处，然后通过集中熔化停留在坩埚边缘处的未熔化合金，使熔融态合金更加均匀，从而使最终得到的合金铸锭更加均匀，减少合金铸锭缺陷。

19、4.本发明合金构成元素种类较少，并且构成元素中，仅有pt属于贵金属，而贵金属在金融市场上，具体体现为其价格相对较高，被认为是珍贵的金属，由此，本发明合金构成元素种类较少，同时减少构成元素中贵金属种类，有利于降低合金制造成本，有助于合金进行工业化生产应用。

1.一种高强度及高抗氧化性能难熔高熵合金，其特征在于：所述合金化学成分表达式为ptxcrtati，合金中成分元素摩尔比为pt：cr：ta：ti＝x:1:1:1，其中x＝0.1～1。

2.制备权利要求1的高强度及高抗氧化性能难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述单质金属pt、cr、ta、ti的纯度均为99.99％。

4.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，第一次超声清洗使用无水乙醇作为清洗液，清洗时间为10-15min。

5.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，烘干温度为100℃，烘干时间为2h。

6.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，使用氢氟酸进行酸洗，酸洗时间9-15min。

7.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，第二次超声清洗使用清水作为清洗液，每清洗9-15min后，更换清水，重复清洗5次以上。

8.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，最后使用无水乙醇进行清洗，清洗时间为10min。

9.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，首先将熔炼环境抽至真空，然后充入氩气至0.04-0.05mpa，熔炼开始时，首先调整引弧电流为50-100a，待pt、ti全部熔化后，将引弧电流调节至150-220a继续熔炼，熔炼至少5min后进行翻面。

10.根据权利要求2所述的一种制备难熔高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，第一次翻面时，将合金置于水冷铜模坩埚边缘进行熔炼，此后每次翻面，均将合金置于水冷铜模坩埚边缘处进行熔炼，最后一次翻面时，将合金置于水冷铜模坩埚中心进行熔炼。