[发明专利]一种高密度的含W高活性高熵合金及其应用

说明书

本发明公开一种高密度的含W高活性高熵合金及其应用，该合金具有简单的固溶体结构，金属元素W与活性元素之间的金属键结合较弱，在高速冲击、破碎的过程中，Ti、Zr等高活性元素会优先与O发生氧化反应，活性元素氧化反应释放的能量能够促使处于弱结合状态下的W元素也产生氧化反应而释放能量，使得本发明的合金在具有高密度、高强度等钨基合金特性的同时还能够达到高的能量释放。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其是一种高密度的含W高活性高熵合金及其应用。

背景技术

释能结构材料是一类面向未来高效毁伤武器的新型结构功能一体化材料。其在高速飞行和穿甲过程中要起到承载和侵彻作用，但在穿透目标蒙皮、进入目标内部后会因结构失稳形成大面积碎片云，引发化学反应释能，产生高温和高压，实现对打击目标的二次高效毁伤。现有释能结构材料主要有金属/金属氧化物型、金属/卤族聚合物型和金属型三类。其中，金属/氟聚物(如Al/PTFE)和金属/金属氧化物(富铝铝热剂)等材料的强度均不足100MPa，以Al/Ni为代表的金属型释能结构材料的拉伸强度虽可达到370MPa，但仍远低于现有战斗部壳体所用的超高强度钢(如406钢，～1500MPa)，因此只能作为破片战斗部使用，并不能满足战斗部壳体对于承载特性的需求。近年来，美国及国内相关研究机构提出采用高燃烧热值元素(如Zr、Hf、Al等)制备非晶型释能结构材料的设想，利用非晶材料的高强度特性实现释能结构材料力学性能的大幅提升。但非晶材料的高脆性使其难以在爆轰加载下形成完整的破片毁伤元，降低了侵彻贯穿和二次毁伤的威力。因此，迫切需要发展一种兼具高密度、高强度、良好塑性和高效释能的新型结构释能材料来满足未来战争对于常规武器战斗部毁伤威力提升的需求。

发明内容

本发明提供一种高密度的含W高活性高熵合金及其应用，用于克服现有技术中不能兼具高密度、高强度、良好塑性和高效释能等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种高密度的含W高活性高熵合金，所述合金由金属元素和活性元素组成，所述金属元素为W，所述活性元素为Nb、Zr、Ti和Ta中的至少三种；

所述金属元素在合金中的摩尔比为10～25％，所述活性元素在合金中的摩尔比为90～75％；

所述活性元素中各元素的摩尔比相等。

为实现上述目的，本发明还提出一种高密度的含W高活性高熵合金的应用，将上述所述的合金应用在释能结构材料中。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的高密度的含W高活性高熵合金具有简单的固溶体结构，金属元素W(钨)与活性元素之间的金属键结合较弱，在高速冲击、破碎的过程中，Ti、Zr等高活性元素会优先与O发生氧化反应，活性元素氧化反应释放的能量能够促使处于弱结合状态下的W元素也产生氧化反应而释放能量，使得本发明的合金在具有高密度、高强度等钨基合金特性的同时还能够达到高的能量释放。

2、本发明提供的高密度的含W高活性高熵合金为钨基合金，同时也为高熵合金。钨基合金因具有高密度(16.5～19g/cm³)、高强度和自锐性而具有良好的侵彻特性，但是其较高的脆性限制了作为结构件进行承载，此外W虽然具有较高的理论燃烧热值，但是其化学性质较稳定，电负性较高，在空气中较难被引燃进行氧化释能，因此钨基释能结构材料的冲击释能特性并不理想。高熵合金在热力学高熵作用下，性质各异的组成原子形成了无序的简单固溶体结构，并造成严重的晶格畸变，这种特殊的晶体结构使高熵合金具有了高强度、强耐蚀、抗辐照等优异特性，此外，高熵合金的特殊晶体结构往往不随合金的组成元素改变而改变，这给合金的成分设计带来了很大的灵活性。本发明利用了高熵合金的概念设计了具有简单固溶体结构的含W高活性高熵合金，成功保留了钨基合金高侵彻特性的同时，解决了钨基合金在力学性能和释能特性方面的不足，可满足释能结构材料在承载、侵彻和释能等多方面的需求。

附图说明