Высокоэнтропийный сплав системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr Российский патент 2025 года по МПК C22C30/00 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке высокоэнтропийных сплавов с сочетанием высокой прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах до 800°С, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов.

На современном этапе развития техники существующие сплавы зачастую не могут обеспечить необходимый уровень механических и функциональных свойств, что требует создания новых сплавов с улучшенными свойствами. Одним из перспективных направлений в современном материаловедении являются высокоэнтропийные сплавы (ВЭС). В отличии от традиционных сплавов, для которых в составе можно выделить один элемент, содержание которого значительно превышает содержание других, высокоэнтропийные сплавы содержат в своем составе пять и более элементов к эквиатомном или близком к эквиатомному соотношению. Такие многокомпонентные системы зачастую показывают хорошие механические свойства (высокая прочность при комнатной и повышенной температуре, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д.), перспективными в том числе являются высокоэнтропийные сплавы на основе тугоплавких элементов (ТВЭС). Такие сплавы могут демонстрировать высокие прочностные характеристики в широком интервале температур.

Так, сплавы NbMoTaW и VNbMoTaW показывают предел текучести при 800°С 552 МПа и 846 МПа соответственно при испытаниях на сжатие [Senkov O. N. et al. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys // Intermetallics. - 2011. - Т. 19. - №. 5. - С. 698-706.]. Однако высокая плотность этих сплавов (более 12 г/см3) в сочетании с низкой пластичностью при комнатной температуре (деформация до разрушения ~2%) значительно ограничивает применимость таких сплавов.

За счет замещения в составе тяжелых элементов более легкими на примере сплава HfNbTaTiZr было показана возможность сохранения высокой прочности при повышенных температурах при более низких значениях плотности. Для этого сплава удалось достичь плотность ρ ~ 9,9 г/см³, при этом предел текучести на сжатие при 800°С составил 535 МПа, а деформация до разрушения на сжатие при комнатной температуре превысила 50% (сплав не разрушился в ходе испытания) [Senkov O. N. et al. Microstructure and elevated temperature properties of a refractory TaNbHfZrTi alloy // Journal of Materials Science. - 2012. - Т. 47. - С. 4062-4074.].

Введение в состав ТВЭСов еще более легкого хрома позволило еще больше снизить плотность. Для сплава CrMo_0.5NbTa_0.5TiZr плотность снизилась до ρ ~ 8,2 г/см³, при этом сплав показал предел текучести на сжатие 983 МПа при температуре 800°С, однако, как и для предыдущих сплавов, при комнатной температуре пластичность на сжатие этого сплава оставляет желать лучшего (деформация до разрушения ~5%)[Senkov O. N., Woodward C. F. Microstructure and properties of a refractory NbCrMo0. 5Ta0. 5TiZr alloy //Materials Science and Engineering: A. - 2011. - Т. 529. - С. 311-320.].

Исключение из состава сплава тяжелого молибдена позволило значительно снизить плотность сплава, но также это привело и к падению прочностных характеристик при высоких температурах. Сплав CrNbTiVZr обладает плотностью ρ ~ 6,6 г/см³ и при температуре 800°С его предел текучести на сжатие составил 615 МПа, однако деформация до разрушения на сжатие составляет всего 3% [Senkov O. N. et al. Mechanical properties of low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr-Nb-Ti-V-Zr system //Materials Science and Engineering: A. - 2013. - Т. 565. - С. 51-62.].

Добавление алюминия к составу сплава позволило еще больше снизить плотность сплава, и на примере сплава AlCrNbTiV была показана возможность достижения предела текучести на сжатие в 860 МПа (при 800°С) при плотности сплава менее 6 г/см³ [Stepanov N. D. et al. Structure and mechanical properties of the AlCrxNbTiV (x= 0, 0.5, 1, 1.5) high entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. - 2015. - Т. 652. - С. 266-280.]. Однако, пластичность данного сплава при комнатной температуре составила всего 0,8%. Данный сплав выбран за прототип данного изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей изобретения является разработка высокоэнтропийного сплава для конструкционного применения с высокими значениями прочности при температурах до 800°С и обладающего приемлемой пластичностью со значением деформации на сжатие до разрушения более 10% при комнатной температуре.

Технический результат заключается в получении высокоэнтропийного сплава с соотношением элементов Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10, который в литом состоянии имеет предел текучести 1090 МПа, предел прочности 1456 МПа и пластичность со значением деформации на сжатие до разрушения 14,7 % при комнатной температуре и предел текучести 920 МПа, предел прочности 1192 МПа и пластичность со значением деформации на сжатие до разрушения >50% при 800°С.

Новизна и изобретательский уровень заявленного сплава подтверждаются тем, что из уровня техники не известен сплав с соотношением элементов в ат. % Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10, который обеспечивает предел текучести 1090 МПа, предел прочности 1456 МПа и деформацию на сжатие до разрушения 14,7 % при комнатной температуре и предел текучести 920 МПа, предел прочности 1192 МПа и деформацию на сжатие до разрушения >50% при 800°С.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

фиг. 1. Микроструктура сплава Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10 в литом состоянии;

фиг.2. График зависимости напряжения от деформации сплава Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10 для комнатной температуры и 800°С.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В качестве исходного материала использовали чистые элементы алюминия, хрома, ниобия, титана, ванадия и циркония. Образцы сплава Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10 получали методом вакуумно-дугового переплава при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут для получения слитков сплава в среде чистого аргона. Для получения однородного распределения элементов слиток переплавляют не менее 5 раз.

Возможность осуществления изобретения поясняется примерами технологического процесса получения сплава с высокими значениями прочности и пластичности.

Пример 1

Образцы сплава Al₁Cr₉Nb₃₅Ti₅V₄₀Zr₁₀ получали методом вакуумно-дугового переплава с составом элементов, ат. %: алюминий 1, хром 9, ниобий 35, титан 5, ванадий 40, цирконий 10. при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут в среде чистого аргона.

Для получения однородного распределения элементов каждый слиток переплавляли 5 раз.

Пример 2

Механические испытания на сжатие полученного сплава проводили на универсальной электромеханической испытательной машине Instron 5882 при комнатной и повышенной температурах. Исследования микроструктуры сплава проводили на растровом электронном микроскопе Quanta 600 FEG. Проведенные структурные исследования показали, что сплав Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10 обладает дендритной однофазной структурой на основе ОЦК решетки (Фиг. 1).

Результаты испытаний представлены на графике зависимости напряжения от деформации сплава Al₁Cr₉Nb₃₅Ti₅V₄₀Zr₁₀ (фиг. 2).

Значения механических свойств заявленного сплава Al₁Cr₉Nb₃₅Ti₅V₄₀Zr₁₀ при комнатной температуре и при температуре 800°С представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения механических свойств сплава Al₁Cr₉Nb₃₅Ti₅V₄₀Zr₁₀.

Как видно из таблицы, после испытаний на сжатие сплав показал предел текучести 1090 МПа, предел прочности 1456 МПа и деформацию на сжатие до разрушения 14,7 % при комнатной температуре и предел текучести 920 МПа, предел прочности 1192 МПа и деформацию на сжатие до разрушения >50% при 800°С.

Приведенные примеры подтверждают, что заявленный технический результат изобретения достигнут - получен сплав Al1Cr9Nb35Ti5V40Zr10, который демонстрирует предел текучести 1090 МПа, предел прочности 1456 МПа и пластичность со значением деформации на сжатие до разрушения 14,7% при комнатной температуре и предел текучести 920 МПа, предел прочности 1192 МПа и пластичность со значением деформации на сжатие до разрушения >50% при 800°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокоэнтропийным сплавам системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов. Предлагается высокоэнтропийный сплав системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr, полученный путем вакуумно-дугового переплава и содержащий химические элементы при следующем процентном соотношении, ат.%: алюминий 1, хром 9, ниобий 35, титан 5, ванадий 40 и цирконий 10. Сплав обладает высокими механическими свойствами: предел текучести 1090 МПа, предел прочности 1456 МПа и пластичность на сжатие 14,7 % при комнатной температуре, и предел текучести 920 МПа, предел прочности 1192 МПа и пластичность >50 % при температуре 800°С. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Высокоэнтропийный сплав системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr, полученный путем вакуумно-дугового переплава и содержащий химические элементы при следующем процентном соотношении, ат.%: алюминий 1, хром 9, ниобий 35, титан 5, ванадий 40 и цирконий 10.