本發(fā)明屬于金屬材料及其制備，具體涉及一種面向刀具的高強度、高硬度ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金。

背景技術：

1、高熵合金的概念于2004年首次提出，區(qū)別于傳統(tǒng)合金，高熵合金通常至少由五種元素組成，每種元素的含量在5％-35％(原子百分數)。得益于高熵合金獨特的元素組成，其具有高熵效應、遲滯擴散效應、晶格畸變效應和雞尾酒效應四大核心效應，將金屬材料的強度、硬度、耐腐蝕抗性、熱穩(wěn)定性及抗輻照等性能提升到前所未有的高度，因而具有巨大的應用潛力，同時它對金屬材料研發(fā)、結構材料應用等方面產生了深刻的影響。也正是由于高熵合金獨特的元素組成，使得高熵合金的設計及性能調控具有極大的空間，同時也賦予了極大的挑戰(zhàn)。通過調整主元的種類及含量進而調控相的類型及比例是一類常用的方法，例如通過改變元素含量實現第二相強化及析出物強化等，以滿足高熵合金性能的需要。

2、隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，對高溫合金的性能需求日漸增加，目前鎳基高溫合金的性能似乎已經達到了極限，因此對具有優(yōu)異性能的新一代高溫材料的需求也越來越迫切。難熔高熵合金于2010年首次提出，其基本上是由難熔元素組成，因而具有高熔點，并且在高溫環(huán)境中表現出優(yōu)異的力學性能及良好的熱穩(wěn)定性。難熔高熵合金在高溫環(huán)境下所展現出的優(yōu)異性能，賦予了其極大的應用潛力，被認為是下一代高溫合金的候選材料，另外，在核反應堆、切削刀具等領域也具有極大的應用潛力。

3、目前，刀具中所應用的高熵合金，其組分基本上是非難熔元素，這意味著合金體系熔點較低，在高溫環(huán)境中的適應性較差。難熔高熵合金基本上是由難熔元素組成，其有著高熔點、較好的熱穩(wěn)定性及高溫抗軟化性。在切削過程中，刀具要承受高溫、高壓等嚴苛載荷作用，相比之下難熔高熵合金在切削刀具中具有更高的應用潛力。

4、因此開發(fā)出面向刀具的高強度、高硬度及高熔點特性的難熔高熵合金具有重要意義。

技術實現思路

1、本發(fā)明公開了一種面向刀具的高強度高硬度ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金，旨在通過調整強化組元fe和w元素的含量來調控合金的性能，以滿足不同的性能需求：在fe和w含量低時，合金具有優(yōu)異的塑性；在fe和w含量較高時，合金具有高強度及高硬度。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、本發(fā)明公開了一種面向刀具的高強度高硬度ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金，其各成分的篩選原理是：根據高熵合金的雞尾酒效應，為了獲得高強度、高硬度、低活化和高熔點的特性，合金主元成分從難熔元素范圍a(包括ti、v、cr、zr、nb、mo、w、ta、hf)與低活化元素范圍b(包括fe、ti、cr、v、ta、zr、w)中進行選擇；為了獲得較大的晶格畸變以提升其力學性能，從大原子半徑元素范圍c(如ti、zr、hf等)及小原子半徑元素范圍d(如fe、cr、v、ni、co等)中進行選擇設計。根據上述合金主元選擇條件，本發(fā)明提供一種面向刀具的高強度高硬度ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金，以ti、v和ta為基礎組元，以fe和w為強化組元，使合金具有高強度、高硬度、低活化、高熔點的特性，其具體成分為(tivfe0.2ta0.8)95w5或(tivfe0.7ta)90w10。

4、本發(fā)明所述難熔高熵合金的制備方法，是按如下步驟進行：

5、步驟1、按照合金中各組元的原子百分比，確定ti、v、fe、ta和w金屬原料的所需質量；將金屬原料打磨去除表面氧化層后精確稱量，然后超聲清洗、烘干；具體方法為：

6、根據合金體系中各組元的原子百分數及密度計算出合金的理論密度ρ(g/cm3)，合金總質量(g)可視情況取在4ρ～5ρ之間，再根據合金總質量及各組元的原子百分比，得出ti、v、fe、ta和w所需質量。

7、根據所計算的各組元質量，取ti、v、fe、ta和w金屬原料并留有一定余量(如可留有0.5g～1g余量)，然后進行粗磨，先使用銼刀去除金屬表面氧化層再盡可能將各組元磨至所需質量。通過精磨將粗磨過后的金屬原料進一步精確配比，使其達到所需質量(質量精確至0.001g)，然后將金屬原料放入酒精中超聲清洗，完畢后取出并吹干。

8、步驟2、將各金屬原料放入真空電弧熔煉爐的銅模坩堝中，將爐腔內抽真空，再充入氬氣作為保護氣體及用于引弧。

9、步驟3、鎢針引弧，引弧后先熔煉鈦錠以消耗爐腔內剩余氧氣，待熔煉鈦錠完畢后調低電流再移動鎢針至金屬原料處，然后提高電流熔煉金屬原料，并對合金進行多次熔煉，每次熔煉后翻轉，以確保其成分均勻；熔煉結束后，即獲得ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金。

10、優(yōu)選的，步驟1中，所用ti、v、fe、ta和w金屬原料的純度不低于99.95％。

11、優(yōu)選的，步驟2中，先使用機械泵將爐內抽真空至5pa，再打開分子泵抽真空至8×10-4pa，然后充氬氣至爐腔內氣壓為-0.05mpa。

12、優(yōu)選的，步驟3中：引弧電流為20a；熔煉鈦錠時將電流調至180a并熔煉2～3分鐘；熔煉金屬原料時電流調至250a～280a，每次熔煉4～6分鐘，反復熔煉12次，每次熔煉后用爐腔內的勺子翻轉合金錠子。

13、本發(fā)明的有益效果如下：

14、1、本發(fā)明由ti、v、fe、ta和w五種組元構成的難熔高熵合金，具有高強度、高硬度、低活化、高熔點的特性，性能優(yōu)異，在核反應堆及切削刀具等領域中具有較大的應用潛力。且本發(fā)明篩選的兩種具體成分的合金各有特點，可以滿足不同的性能需求：在fe和w含量低時，合金具有優(yōu)異的塑性(大于50％)；在fe和w含量較高時，合金具有高強度(2200mpa)及高硬度(778hv)。

15、2、本發(fā)明的制備方法簡單易于操作，合金成分均勻，其主要為bcc相，及少量的laves相，具有作為高溫結構材料的潛力。

技術特征：

1.一種面向刀具的高強度高硬度ti-v-fe-ta-w系難熔高熵合金，其特征在于：所述難熔高熵合金的成分為(tivfe0.2ta0.8)95w5或(tivfe0.7ta)90w10。

2.一種權利要求1所述難熔高熵合金的制備方法，其特征在于，按如下步驟進行：

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟1中，所用ti、v、fe、ta和w金屬原料的純度不低于99.95％。

4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟2中，先使用機械泵將爐內抽真空至5pa，再打開分子泵抽真空至8×10-4pa，然后充氬氣至爐腔內氣壓為-0.05mpa。

5.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟3中，引弧電流為20a，熔煉鈦錠時將電流調至180a并熔煉2～3分鐘。

6.根據權利要求2或5所述的制備方法，其特征在于：步驟3中，熔煉金屬原料時電流調至250a～280a，每次熔煉4～6分鐘，反復熔煉12次。

技術總結
本發(fā)明公開了一種面向刀具的高強度高硬度Ti?V?Fe?Ta?W系難熔高熵合金，其成分為(TiVFe0.2Ta0.8)95W5或(TiVFe0.7Ta)90W10。本發(fā)明的難熔高熵合金具有高強度、高硬度、高熔點及低活化等特性，在切削刀具等領域中具有極大的應用潛力。

技術研發(fā)人員：陳順華,徐狂,岳小康,張俊生,楊海東,唐火紅
受保護的技術使用者：合肥工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2