一种轻质中熵合金及其制备方法和应用

本发明属于合金材料，具体涉及一种轻质中熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，有关轻质材料的研究日益深入。传统的轻质合金，如镁合金、铝合金或钛合金等，借助其低密度取得了许多重要的研究成果。然而，传统的轻质合金有着强度低、塑性差和硬度不足的缺点，这就限制了其在航空航天等极端服役环境下的应用。

2、中熵合金及其中熵概念的引入，开辟了合金材料新的研究领域与合金性能优化方式。传统的中熵合金借助其优异的力学性能和众多的合金体系，而受到广泛关注。但是，传统的中熵合金的密度高，导热性强，不能进一步满足航空航天和电子产品低密度与热管理的需求，对轻质低导热中熵合金的需求也更为紧迫。

3、如何进一步提升合金塑性，降低合金密度，并同时满足低导热要求，是轻质中熵合金领域正在面临的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种轻质中熵合金及其制备方法和应用，本发明提供的轻质中熵合金具有高强度与高塑性和低导热性能。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种轻质中熵合金，按质量百分含量计，包括以下元素：ti65～85％，zr 2～12％，nb 2～12％，v 4～12％，al 5～15％。

4、优选的，所述轻质中熵合金，按质量百分含量计，包括以下元素：ti 70～80％，zr4～10％，nb 4～8％，v 4～10％，al 5～10％。

5、本发明还提供了上述方案所述轻质中熵合金的制备方法，包括以下步骤：

6、从铜坩埚的底部到顶部依次放置部分ti、zr、v、nb和剩余部分ti，将al放置在加料器中，然后依次在保护气氛中熔炼、精炼和冷却，边熔炼边加al，重复熔炼、精炼和冷却，重复4次以上，所述al在第1次熔炼时全部加入，得到所述轻质中熵合金。

7、优选的，所述ti、zr、v和nb的纯度为99.95％以上；所述ti的粒径为3～5mm；所述zr的粒径为3～15mm；所述nb的粒径为3～6mm；所述v的粒径为3～5mm；所述al的粒径为20～50mm。

8、优选的，所述部分ti与剩余部分ti的质量比为2～3:1。

9、优选的，所述熔炼的温度为1550～1750℃，真空度为5×10-3～7×10-3pa，直至金属原料全部熔化。

10、优选的，所述熔炼的设备为真空磁悬浮熔炼炉；所述真空磁悬浮熔炼炉的功率为253kw，电流为520a。

11、优选的，所述精炼的温度为1600～1700℃，保温时间为4～6min。

12、优选的，所述冷却为：降低真空磁悬浮熔炼炉的功率，并利用循环水冷却；所述功率的降低速率为50～60kw/min；所述冷却的终温为20～25℃。

13、本发明还提供了上述方案所述轻质中熵合金或上述方案所述制备方法得到的轻质中熵合金在航空航天领域中的应用。

14、本发明提供了一种轻质中熵合金。相比传统的中熵合金，本发明摒弃了传统的中熵合金中的常用的co、fe、cr、cu、ni等元素，通过引入低密度元素(ti、al)与低热导率元素(ti、zr、v)，得到了低导热的轻质中熵合金；相比于传统的轻质合金，本发明提供的轻质中熵合金采用晶格畸变效应、高熵效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应等效应，在满足轻质的前提下提升了合金的强度与塑性。

15、本发明提供的轻质中熵合金，兼具轻质低导热和室温高强度与高塑性，具有低密度、低热导率、高抗拉强度、高硬度和高延伸率等特点。实施例数据表明，本发明提供的轻质中熵合金的抗拉强度≥650mpa，断后伸长率≥8％，硬度≥300hv，热导率≤10w/m·k。

16、本发明还提供了上述方案所述轻质中熵合金的制备方法。本发明提供的制备方法步骤简单，操作方便，可行性高，工业化前景广阔。

17、进一步的，所述熔炼的设备为磁悬浮熔炼炉；所述磁悬浮熔炼炉的功率为253kw，电流为520a。本发明采用磁悬浮熔炼技术，有效地避免了金属熔体与坩埚接触，在无坩埚材料污染条件下熔炼，保证了轻质中熵合金的纯度。

18、本发明还提供了上述方案所述轻质中熵合金或上述方案所述制备方法得到的轻质中熵合金在航空航天领域中的应用。本发明提供的轻质中熵合金，兼具轻质低导热和室温高强度与高塑性，具有低密度、高抗拉强度、高硬度和高延伸率等特点，适合航空航天领域等极端服役环境，为合金的应用提供了保障，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种轻质中熵合金，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下元素：ti 65～85％，zr 2～12％，nb 2～12％，v 4～12％，al 5～15％。

2.根据权利要求1所述的轻质中熵合金，其特征在于，所述轻质中熵合金，按质量百分含量计，包括以下元素：ti 70～80％，zr4～10％，nb 4～8％，v 4～10％，al 5～10％。

3.权利要求1～2任一项所述轻质中熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述ti、zr、v和nb的纯度为99.95％以上；

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述部分ti与剩余部分ti的质量比为2～3:1。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1550～1750℃，真空度为5×10-3～7×10-3pa，直至金属原料全部熔化。

7.根据权利要求3或6所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的设备为真空磁悬浮熔炼炉；所述真空磁悬浮熔炼炉的功率为253kw，电流为520a。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述精炼的温度为1600～1700℃，保温时间为4～6min。

9.根据权利要求3或8所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为：降低真空磁悬浮熔炼炉的功率，并利用循环水冷却；

10.权利要求1～2任一项所述轻质中熵合金或权利要求3～9任一项所述制备方法得到的轻质中熵合金在航空航天领域中的应用。

技术总结本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种轻质中熵合金及其制备方法和应用。本发明摒弃了传统的中熵合金中的常见元素，通过引入低密度与低热导率元素，得到了低导热的轻质中熵合金；本发明提供的轻质中熵合金采用晶格畸变效应、高熵效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应等效应，在满足轻质的前提下提升了合金的强度与塑性。本发明提供的轻质中熵合金，兼具轻质低导热和室温高强度与高塑性，具有低密度、高抗拉强度、高硬度和高延伸率等特点。实施例数据表明，本发明提供的轻质中熵合金的抗拉强度≥650MPa，断后伸长率≥8％，硬度≥300HV，热导率≤10W/m·K。技术研发人员：康慧君,王同敏,李龙健,黄猛,陈宗宁,郭恩宇,卢一平,接金川,张宇博,曹志强,李廷举受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6