[发明专利]一种难熔高熵合金的定向凝固熔炼设备及熔炼方法

说明书

本发明公开了一种难熔高熵合金的定向凝固熔炼设备，包括石英玻璃管、熔炼坩埚、感应线圈和熔炼电源，所述熔炼坩埚内装有合金原料并位于石英玻璃管内部，所述感应线圈与熔炼电源连接并套设于石英玻璃管外部并用于熔炼熔炼坩埚内的合金原料，所述定向凝固熔炼设备还包括升降装置，所述感应线圈与升降装置连接并在升降装置的驱动下沿石英玻璃管上下升降。本发明还公开了一种难熔高熵合金的熔炼方法，本发明具有的优点是所炼合金锭成型规整、内部组织均匀以及缩孔和缩松等缺陷集中。

技术领域

本发明涉及合金熔炼领域，尤其涉及一种难熔高熵合金的定向凝固熔炼设备及熔炼方法。

背景技术

高温合金是宇航和工业动力领域的关键结构用材，已成军用和民用高温燃气轮机不可代替的一类材料，对推动工业和人类文明进步起到十分重要的作用。尤其在军用领域，随着军用飞机性能需求的不断提升，高温合金在发动机用材中的比例越来越高，而且对合金性能的也提出了更高的要求，比如更高的高温强度和比强度、更高的使用温度等等。高温镍基合金是最成熟的高温结构材料，经过成分和工艺的不断迭代优化，其使用温度和高温强度得到了不断提升。但由镍的熔点（1455℃）所限，镍基合金Inconel 718的使用温度很难超过1250℃，其高温力学性能潜力几乎已经到达极限。因此，继续提高使用温度需要一种全新的高温合金体系。

高熵合金（High Entropy Alloys，简称HEAs）是近些年提出的一种具有优异力学性能的合金概念。广义的高熵合金定义指由4种及以上主元构成，组元含量介于5%～35%之间的合金。而在所有的高熵合金族群中，有潜力作为高温结构使用的有两大族群，分别是基于3d过渡族金属的3d过渡族高熵合金（3d-transition Metals HEAs，简称TM HEAs）和基于难熔金属的难熔高熵合金（Refractory HEAs，简称RHEAs）。其中RHEAs的主要组元来自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W 9种难熔金属，而它们均具有较高的熔点，因此RHEAs明显更具高温下应用的潜力。事实上第一个RHEAs体系NbTaMoW在2010年被提出时，其高温力学性能就达到了令人惊讶的水平，1600℃下仍保持了400MPa以上的屈服强度（O.N. Senkov, G.B.Wilks, J.M. Scott, and D.B. Miracle: Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloys. Intermetallics 19, 698(2011).）。随着对更多的RHEAs的探索，更多高温强度较高且室温塑性可接受的RHEAs体系被发现，许多体系表现出具备替代镍基高温合金的巨大优势。

尽管许多体系被发掘，但大多数研究发表的成果中，块状RHEAs的制备工艺非常单一。电弧熔炼是使用最多的熔炼工艺，方法成熟且对高熔点金属原料的熔化十分有效，使用水冷铜模坩埚时冷却速度极快因此在RHEAs的熔炼中容易得到单相固溶体结构。但该工艺的加热方式为点加热，配合底部水冷铜模散热，因此熔炼原料无法同时处于熔融状态，故难以保证搅拌均匀。加之RHEAs组元熔点差异较大，这种加热和散热方式会导致在合金锭中产生较大范围的液固两相混合区，凝固时局域会呈现明显的先后凝固，导致大范围分散的缩松和元素偏析，采用电弧熔炼工艺造成难熔高熵合金组织不均匀、缺陷不集中以及成形难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种合金组织均匀、缺陷集中以及成形难度小的难熔高熵合金的定向凝固熔炼设备及熔炼方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种难熔高熵合金的定向凝固熔炼设备，包括石英玻璃管、熔炼坩埚、感应线圈和熔炼电源，所述熔炼坩埚内装有合金原料并位于石英玻璃管内部，所述感应线圈与熔炼电源连接并套设于石英玻璃管外部并用于熔炼熔炼坩埚内的合金原料，所述定向凝固熔炼设备还包括升降装置，所述感应线圈与升降装置连接并在升降装置的驱动下沿石英玻璃管上下升降。