一种具有塑性的多主元Laves基金属间化合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金材料设计领域，更具体地说，涉及一种具有塑性的多主元Laves 基金属间化合物及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 八132型Laves金属间化合物具有良好的结构稳定性、高温性能，且其在储氢和电磁 材料领域也具有良好的应用前景。但是，由于Laves相拓扑密排六方结构具有的本征脆性， 其室温变形能力近乎为零。目前，Laves相的研制目前主要集中在二元和三元合金领域，成 分上单一组元的含量一般大于50%，典型的成分主要有NbCr 2、TiCr2、ZrCr2、ZrCo2、ZrNi 2、 Zr (Cr, Fe) 2等。国际上曾尝试开发Laves基/固溶体硬韧两相合金，典型的成分如Cr-NbCr 2 和Ti-TiCr2,研宄发现该类合金中固溶体的形成可使材料的整体压缩塑性获得一定提高， 但韧性相含量需接近30%。而传统合金中固溶体硬度较低，且在高温使用过程中迅速软化， 因此限制了该合金整体高温性能提升。
[0003] 中国专利申请日为2000年11月9日，申请公开号为CN 1353204 A的专利申请 文件公开了一种高乱度多元合金，其是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，含有 5至11种主要金属元素，且每一种主要金属元素的摩尔数与该合金总摩尔数比介于5%至 30%之间。可见，该类合金已脱离了传统以一种元素为主的合金设计理念，由于其多主元成 分的高乱度引起的高熵效应，凝固后多形成简单的fee或bcc固溶体主要相，或含有少量 σ相和Laves相等金属间化合物硬质相，起到提高固溶体基体强度和硬度的作用。根据合 金系统自由能越低越趋于稳定的热力学原则，该类合金在高温下混乱度变得更大，使其固 溶体具有良好的高温稳定性能，为新型高温结构金属的研制提供了新的理念。因此，探索 多主元复杂合金系相图中固溶体与Laves金属间化合物的重叠区域，开发Laves基/固溶 体硬韧两相多主元合金，利用多主元固溶体良好的耐热和高强度性能，从而改善Cr-NbCi v 11-1102等二元合金系中固溶体硬度低，高温易软化的不足，是一种极具希望的提高Laves 相室温塑性并保持其优良高温性能的原位增韧方法。
【发明内容】
[0004] 1.要解决的问题
[0005] 针对现有的二元合金系Laves相室温塑性差，而Laves相/固溶体两相合金存在 固溶体硬度低，高温易软化等问题。本发明提供一种具有塑性的多主元Laves基金属间化 合物及其制备方法，其组成元素为FeCoNiCr a5ZrCux，主要相为Laves金属间化合物，或在 Laves相基体上含少量bcc和fee结构的多主元固溶体相，具有超高的抗回火软化性能、良 好的高温时效强化效果和一定的室温塑性。
[0006] 2.技术方案
[0007] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] -种具有塑性的多主元Laves基金属间化合物，由Fe、Co、Ni、Cr、Zr和Cu六种元 素按摩尔比1:1:1:0. 5: l:x组成，其中X的取值范围为0.5~1。
[0009] 优选地，所述的具有塑性的多主元Laves基金属间化合物的制备原料为纯度不低 于99%的？6、(：〇、附、0、21'和(：11。
[0010] 上述的一种具有塑性的多主元Laves基金属间化合物的制备方法，其步骤为：
[0011] (1)原料前处理：用机械方法去除Fe、Co、Ni、Cr、Zr和Cu原料表面的氧化层；
[0012] (2)配料：按比例称取Fe、Co、Ni、Cr、Zr和Cu原料，混合均匀；
[0013] (3)电弧炉熔炼：将步骤⑵中混合好的原料放入真空电弧炉中，将炉体抽真空后 再充入惰性气体，在惰性气体的保护下进行熔炼，熔炼电流为250±30A，时间为30~60s ; 待样品冷却后将其翻转继续进行熔炼，如此重复熔炼至少4次；
[0014] (4)铸模成型：将熔炼好的原料铸入模具中获得Laves基金属间化合物试样；
[0015] (5)热处理：将步骤（4)中得到的Laves基金属间化合物试样置于真空炉中进行 热处理得到上述的Laves基金属间化合物，热处理温度为750~950°C，保温时间为2~10 小时。
[0016] 优选地，所述的步骤（2)中采用感应量为0.1 mg的电子天平称取原料。
[0017] 优选地，所述的步骤（3)中电弧炉为WK型非自耗真空电弧炉，所述的惰性气体为 纯度多99. 9 %的氩气。
[0018] 优选地，所述的步骤（3)中当炉体内真空度达到5X KT3MPa后充入惰性气体。
[0019] 上述的一种多主元Laves基金属间化合物在950°C条件下力学性能保持稳定且室 温压缩塑性小于4%的高温结构材料领域中的应用。
[0020] 本发明的创新点：
[0021] (1)形成多主元Laves基金属间化合物复合材料：
[0022] 本发明中各元素的原子半径分别为：Zr(1.59A)、Fe(1.26A)、Co (1.25A)、Ni(1.24A)、 Cr (1.28 A)、Cu (1.35 A)，经计算，Zr与Fe、Co、Ni的原子半径比均约为I. 27,非常接近有 利于八82型Laves相形核的理论最佳原子半径RA/R B比值1. 225，因此在本发明中，多主元AB2 型Laves相中A组分的合金元素主要为大原子半径元素 Zr (1.59 A )，Fe (1.26A )、Co (1.25A)、Ni (1.24 A)、Cr (1.28 A)主要占据小原子B组元的位置，而原子半径略大的Cr 和Cu除主要占据小原子B位置，也可部分占据大原子A位置，以补足因 Zr原子添加量不足 而在A原子位置留下的空位，最终形成多主元Laves相金属间化合物复合材料。
[0023] (2)多主元Laves基金属间化合物复合材料具有室温塑性：
[0024] 发明人同时研制了不添加 Cu的FeCoNiCra 5Zr成分多主元合金，虽然该合 金也形成了 Laves相为主的金属间化合物结构，但不具备室温塑性，而添加了 Cu的 FeCoNiCra 5ZrCux具有室温塑性。因此推测造成FeCoNiCr Q.5ZrCux成分Laves基金属间化 合物具有一定室温塑性的主要原因是Cu元素的添加。这一方面可能是由于Cu是典型fee 形成元素，在合金中能促进枝晶间少量fee结构富铜相形成，从而提高了合金塑性；另一方 面，所有添加成分中，Cu的原子半径仅次于Zr元素，因此其极可能更多的占据大原子A位 置，以补足因 Zr原子添加量不足而在A原子位置留下的空位，从而促进多主元Laves晶格 内部形成大量有利塑性提高的半有序结构、空位和反位置缺陷。
[0025] 3.有益效果
[0026] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0027] (1)本发明的FeC〇NiCrQ.5ZrCux金属间化合物具有超高的抗回火软化性能，即使在 1050°C条件下退火10小时后硬度没有下降，这是由于多主元Laves相具有原子高乱度引发 的高熵效应，且其拓扑密排结构自身具有良好的高温结构稳定性，因此，其耐热性能既优于 现有的二元或三元Laves相，也明显高于以bcc和fee体心立方固溶体相构成的高j：商合金；
[0028] (2)本发明的？冗0附〇。.521'(：11!￡金属间化合物具有良好的高温