[发明专利]HfZrTiTax高熵合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种HfZrTiTa_x高熵合金及其制备方法和应用。HfZrTiTa_x高熵合金主要由Hf、Zr、Ti和Ta元素组成，Hf、Zr、Ti和Ta的摩尔比为1∶1∶1∶0.16～1.29。制备方法包括(1)称量冶金原料；(2)将冶金原料置于电弧炉内进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为250A～450A，熔清后搅拌30s～60s，并保持熔清时间5～6分钟，待合金快速冷却后将其翻转，如此重复合金熔炼过程5～6次，得到HfZrTiTa_x高熵合金。本发明的HfZrTiTa_x高熵合金具有优异释能特性和高强高密高硬度性能，可应用于含能结构材料中。

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，具体涉及一种HfZrTiTa_x高熵合金含能结构材料及其制备方法。

背景技术

反应材料结构，也被称作含能结构材料，通常是一种将强度和含能特性(例如高密度，高能量释放以及低感度)相结合的多功能反应材料。这些材料在室温和普通火焰燃烧状态下能保持稳定，但是当受到如高温，高压或高速撞击等作用而达到临界态时会释放出巨大的能量。由于含能结构材料的高结构强度和释能特性，它们可以发展成为一类新型的高效毁伤单元，不仅可以应用于射孔弹增加石油开采效率，也被广泛应用于研发微型推力装置，高威力武器等。含能结构材料不是依靠单一的“动能侵彻”机理对目标进行低效的“机械贯穿”毁伤，而是通过“动能侵彻”和“化学能释放”等毁伤机理联合作用，实现对目标的高致命性“结构毁伤”。含能材料通常分为三类，即金属/金属复合材料(如铝/聚四氟乙烯)，金属/ 金属氧化物(如铝热剂)和金属/金属材料。其中，金属/金属氟聚物类材料虽然具有较好的释放特性，但其强度很低，通常低于100MPa；金属/金属氧化物的少数报道中，力学性能也较差，强度低于100MPa；而金属/金属材料，虽其强度达到200-600MPa，但是能量密度较低。由此，科研人员投入大量工作以探索并研制具有高强高密和高能量密度的新型含能结构材料。 2014年，MATSYS公司采用热等静压和放电等离子烧结制备基于W、Al、Zr或Hf的成分不同的纤维增强复合含能结构材料，其中W-Zr-环氧树脂(体积含量为30-30-40)复合含能材料具有理论能量5534J/g，其密度为6.68g/cm³，室温下拉伸强度为550MPa，拉伸断裂变形率为10.06％。但是，为维持含能结构材料撞击过程中结构稳定性，仍然需要进一步发展出具有更高强度，充足塑性以及高能量高密度的新型材料。

2004年，一个全新的合金设计理念被提出，即高熵合金。不同于传统金属材料以一种或两种元素为主要成分并在其中添加少量或微量其它元素以改善性能，高熵合金则是将多元金属元素(通常大于或等于5)以等摩尔比或者近等摩尔比混合在一起得到的一类新型合金。根据混合定律，由高燃烧热值元素构成的高熵合金应该具有高的能量密度，另外，严重晶格畸变效应通过固溶强化机制等可使高熵合金具有出色的力学性能。因此，高熵合金具有发展为一类新型含能结构材料的巨大潜力。

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，提供一种具有优异释能特性、高强高密高硬度的HfZrTiTa_x高熵合金及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种HfZrTiTa_x高熵合金，所述HfZrTiTa_x高熵合金主要由Hf、Zr、Ti和Ta元素组成，所述Hf、Zr、Ti和Ta的摩尔比为1∶1∶1∶x＝1∶1∶1∶0.16～1.29(即x为摩尔比，x的取值范围为0.16～1.29)。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的HfZrTiTa_x高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照所述摩尔比称量Hf、Zr、Ti和Ta冶金原料；