一种WHfZrTiNb体系活性高熵合金及其组织性能调控方法

本发明涉及高熵合金，尤其涉及一种whfzrtinb体系活性高熵合金及其组织性能调控方法。

背景技术：

1、高熵合金以其独特的高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应，展现出传统合金无法比拟的优异性能。高熵合金的多主元设计为开发新型功能材料开辟了一条全新的途径，引起了工程技术人员的高度关注，其在核工业、船舶、航空、航天和军事等诸多领域展现出广阔的应用前景，特别是高效毁伤技术领域。

2、近些年，活性毁伤元材料优化设计成为了高效毁伤技术领域的研究热点，应用于聚能破甲类弹药药型罩的活性材料主要有聚四氟乙烯/铝(ptfe/al)基复合材料等，其活化反应释能效果好但机械强度较低；应用于破片杀伤类弹药破片的活性材料主要有钨/锆合金、非晶合金材料等，其强度较高但延展性差?？悸堑交钚砸┬驼稚杓剖褂么嬖谇殖股疃群屠┛卓拙兜拿?，活性破片设计使用存在抗爆炸驱动和可靠破碎释能的矛盾。如何兼顾活性毁伤元的各项战技指标，通过快速调节活性材料各项性能，进而满足新型弹药战斗部对活性材料的工程需求，成为新型活性毁伤元材料设计的关键性问题。

3、高熵合金多主元设计为材料力学及释能特性调节提供了更大空间，为上述问题的解决提供了全新的思路方法和技术路线。虽然目前国内外学者提出了tizrhfnbta(cn115572881a)、tizrnbtani0.05(cn113025864b)等多种活性高熵合金及其制备方法，但是现有体系活性高熵合金组元大多需要加入钽元素，我国钽资源相当稀缺，不利于现有体系活性高熵合金的大规模工程应用。钨具有密度高、强度大的特点，在高效毁伤领域已取得了广泛应用。此外，我国的钨储量、产量及出口量均位列世界第一，可满足战时大规模生产的需求。同时，含钨体系难熔高熵合金活性材料的发展仍然处于起步阶段。相关专利提出了tizrnbtaw0.5体系(cn112813329b)和钨-活性高熵合金复合材料(cn111676408b)，然而whfzrtinb体系活性高熵合金及其组织性能调控方法未见报道。因此，探索实现新型含w体系难熔高熵合金活性材料并实现其组织性能调控，对提升弹药战斗部威力性能具有重要的工程意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种whfzrtinb体系活性高熵合金及其组织性能调控方法。该whfzrtinb体系活性高熵合金的纽扣锭实物如图1所示，冲击点火反应如图2所述。本发明利用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼法，以钨、铪、锆、钛、铌为原料制备活性高熵合金，通过改变铌元素含量，改变增强相在基体相中的分布特征和组织形貌，同时改变合金材料密度和理论燃烧热，从而实现活性高熵合金性能的按需控制。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：

3、一种whfzrtinb体系活性高熵合金，该活性高熵合金的化学成分如下：

4、wahfbzrctidnbe，

5、式中，5at.％≤a≤30at.％，10at.％≤b≤30at.％，10at.％≤c≤30at.％，10at.％≤d≤30at.％，0＜e≤30at.％，且a+b+c+d+e＝100。

6、一种whfzrtinb体系活性高熵合金的组织性能调控方法，该活性高熵合金的组织性能调控是利用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼实现的。

7、所述真空电弧熔炼包括以下步骤：

8、(1)按化学成分将钨颗粒、铪颗粒、锆颗粒、钛颗粒和铌颗粒装入真空电弧熔炼炉，然后抽真空并调整炉内表压为0.03mpa～0.07mpa；

9、(2)合金初熔炼，引弧成功后调节电流至起弧电流，操纵电极烘干物料水汽；

10、(3)缓慢调节电流旋钮至过程电流，熔清5min～6min后搅拌50s～60s；

11、(4)待合金锭冷却后将其上下翻转，重复熔炼8～12次；

12、(5)熔炼完成后冷却至室温取样，得到活性高熵合金锭。

13、优选的，步骤(1)中钨颗粒粒径为3～5mm、铪颗粒粒径为3～5mm、锆颗粒粒径为3～8mm、钛颗粒粒径为3～10mm、铌颗粒粒径为3～5mm。

14、所述步骤(1)中将钨颗粒、铪颗粒、锆颗粒、钛颗粒和铌颗粒装入真空电弧熔炼炉时钨颗粒、铪颗粒和铌颗粒置于炉内上层，锆颗粒和钛颗粒置于炉内下层。由于钨、铪和铌的熔点高，将钨颗粒、铪颗粒和铌颗粒置于炉内上层可直接与电弧接触保证高熔点元素充分熔化；而锆和钛的熔点相对较低，尤其是钛，将锆颗粒和钛颗粒置于炉内下层可以防止低熔点元素流失或氧化。

15、优选的，步骤(2)中所述起弧电流为200a～250a。

16、优选的，步骤(3)中所述过程电流为400a～680a。

17、所述真空悬浮熔炼包括以下步骤：

18、s1、配制钨颗粒、铪颗粒、锆颗粒、钛颗粒和铌颗粒，清洗干燥后装入真空悬浮熔炼炉抽真空，通入氩气进行气氛?；?，熔炼和浇铸过程气氛压强均为0.5mpa～0.7mpa；

19、s2、悬浮炉通电熔化原料，然后依次在功率为100kw、150kw、200kw下电熔处理4min～6min，溶清后调节至200kw～300kw熔炼10min～15min；

20、s3、熔炼完成后随炉冷却至100℃取样，得到活性高熵合金锭。

21、优选的，步骤s1中钨颗粒粒径为3～5mm、铪颗粒粒径为3～5mm、锆颗粒粒径为3～8mm、钛颗粒粒径为3～10mm、铌颗粒粒径为3～5mm。

22、本发明提供了一种whfzrtinb体系活性高熵合金的组织性能调控思想，具体方法是在材料设计过程中使钨、铪、锆、钛原子百分比均处于15≤x≤30范围内且保持固定不变，通过改变铌的含量可以改变增强相在基体相中的分布特征和组织形貌，同时改变合金材料密度和理论燃烧热，从而实现活性高熵合金性能的按需控制。

23、本发明通过在体系中加入少量铌元素，增强相含量逐渐减少，此时材料强度下降，脆性提高且塑性降低；添加更多铌元素，增强相含量略有提升出现生长趋势，材料强度继续下降，但材料塑性开始提高；进一步提高铌元素含量，增强相逐渐析出形成枝晶结构，组织形貌从颗粒状向等轴及短杆枝晶状转变，材料强度开始上升，脆性下降且塑性上升；继续提高铌元素含量，增强相枝晶长度增加，枝晶形貌从等轴及短杆状转变为长条羽毛状，材料强韧性和延展性得到大幅提升。

24、一种whfzrtinb体系活性高熵合金的应用，应用于杀伤破片、药型罩、动能拦截器、穿甲弹等战斗部释能结构设计。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1、本发明提供的whfzrtinb体系活性高熵合金作为一种新型含钨难熔高熵合金拓展了高熵合金类活性毁伤材料的设计范围，原料获取容易、制备工艺简单。本发明利用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼法，以钨、铪、锆、钛、铌为原料制备活性高熵合金，通过改变铌元素含量，改变增强相在基体相中的分布特征和组织形貌，同时改变合金材料密度和理论燃烧热，从而实现活性高熵合金性能的按需控制。

27、2、活性高熵合金性能调控过程中，保持其他元素相对比例不变，缓慢提高铌元素含量，可以降低增强相在合金中的含量，进一步提高铌元素含量，可以促进增强相产生枝晶结构，利用该原理调节材料性能。

28、3、本发明合金主要由增强相和基体相组成，在冲击条件下诱发化学反应燃烧释能，具有密度高、强度好和释能特性好等优势，而且作为新型活性毁伤材料应用于战斗部破片、药型罩和壳体等结构元件，在军事领域有较广阔的应用前景。