一种室温和低温性能优异的高熵合金及其制备方法

1.本发明涉及金属材料技术，尤其涉及一种室温和低温性能优异的高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.高熵合金是由多种主要元素组成的新型金属材料，具有严重的晶格畸变、迟滞扩散以及高的混合熵等特点。该类合金在力学性能、抗腐蚀性能以及抗辐照性等方面具有比传统合金优异的性能，因此该类合金在航空航天以及极端复杂环境条件下具有广泛的应用前景以及潜力。目前所研究的高熵合金中，具有单相面心立方结构的合金具有较高的塑性，但强度一般较低，具有体心立方结构的合金强度高但是塑性较差难以满足工程应用要求。因此制备在极端环境条件下具有高强度高塑性的合金成为亟待解决的问题。
3.同时，目前工业用合金都是经过复杂变形之后才能满足使用要求，一般高熵合金有的具有较高的强度但变形能力较差，或者容易变形但是变形之后合金的强度和塑性不能同时达到使用要求，上述问题严重制约了高熵合金的大规模应用与发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有高熵合金不能兼具高强度、高塑性的问题，提出一种室温和低温性能优异的高熵合金，该高熵合金基体相为面心立方结构，经过一定工艺的热处理和机械变形之后，制备得到的合金兼具优良的强度和塑性。即便在低温环境下该合金依然具有超高的强度和塑性，为高熵合金在极端环境条件下的应用开辟了广阔的前景。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种室温和低温性能优异的高熵合金，该合金的通式为a
x
b
y
，其中a为高熵合金，b为hf，mo，nb，ta，v和w中的一种；x和y分别代表各成分的原子百分比，其中x的值不小于50且不大于100，y的值不大于50，且x+y＝100。
6.进一步地，所述高熵合金为co
a
cr
b
fe
c
ni
d
，其中a，b，c和d分别为各元素的原子百分比，且各原子百分比在5％到35％之间。
7.进一步地，所述中a和b的值大于15且小于35，c和d的值大于5且小于25。
8.本发明另一个目的，还公开了一种室温和低温力学性能优异的高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1、将高纯度的合金元素去除氧化皮并进行清洗处理；
10.步骤2、按照通式a
x
b
y
进行配料并混合，其中a按上述高熵合金原子配比称重；
11.步骤3、将混合好的合金元素在干燥箱中进行干燥处理；
12.步骤4、将混合好的原料置于真空感应炉中进行熔炼，氩气保护氛围下，利用电磁感应将合金熔化；
13.步骤5、将熔融的金属液体浇铸到模具中并进行冷却得到铸态合金；
14.步骤6、将铸态合金进行固溶处理，然后进行大机械变形得到变形态合金；
15.步骤7、将变形态合金进行退火处理得到室温和低温力学性能优异的高熵合金。
16.进一步地，步骤2所述配料的精度为0.001g。各合金元素的纯度大于等于99.95wt％。
17.进一步地，步骤3所述干燥处理的温度为100～150℃，干燥时间不小于30min。
18.进一步地，步骤4所述氩气保护氛围压力为0.2
‑
1mpa，优选为0.5mpa。
19.进一步地，步骤5所述冷却20min以上。
20.进一步地，步骤6所述固溶处理温度为1000℃～1400℃，处理时间为1～6h。
21.进一步地，步骤6所述大机械变形包括两步机械变形且每步的变形量为20％～90％。
22.进一步地，步骤6所述大机械变形过程中要进行退火处理，且退火温度为1000℃～1400℃，退火时间为1～6h。
23.进一步地，步骤7所述的退火温度为650℃～1000℃，退火时间为10
‑
180min。
24.本发明室温和低温性能优异的高熵合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
25.1、本发明中的室温和低温力学性能优异的高熵合金其基体为面心立方相，通过固溶处理使合金中的元素分布更加均匀，机械变形和退火处理使合金的经历尺寸细小均匀，从而获得较高的强度和塑性，本发明合金的室温屈服强度超过1gpa，延伸率高于20％。
26.2、相比于其他类型的高熵合金，本发明室温和低温力学性能优异的高熵合金在低温环境下也表现出优异的拉伸性能，并且随温度的降低，合金的强度和塑性都显著增加，其屈服强度超过1.3gpa，优于同类型的任何合金。
27.3、本发明室温和低温力学性能优异的高熵合金含有一定量的cr元素，能够有效提高合金的耐腐蚀性和抗氧化性，在工程应用上具有巨大潜力。
28.4、本发明室温和低温力学性能优异的高熵合金能经受大变形量而不开裂，说明合金具有良好的成型性能。
附图说明
29.图1为实施例中高熵合金的低温力学性能。
具体实施方式
30.本发明公开了一种具有优异室温和低温力学性能的高熵合金高熵合金，该合金的化学式为a
x
b
y
，其中a为高熵合金，b为hf，mo，nb，ta，v和w中的一种；x和y分别代表各成分的原子百分比，其中x的值不小于50且不大于100，y的值不大于50，且x+y＝100。
31.以下结合实施例对本发明进一步说明：
32.实施例1
33.本实施例公开一种具有优异室温和低温力学性能的高熵合金，该合金的化学式为(co
a
cr
b
fe
c
ni
d
)
x
b
y
，其中各元素的比例为原子百分比，其中a、b、c、d、x和y的值分别为29、29、29、13、99.5和0.5。本实施例室温和低温力学性能优异的高熵合金(co
a
cr
b
fe
c
ni
d
)
x
b
y
合金的制备方法，包括以下步骤：
34.(1)清洗：将各合金元素使用机械研磨的方法去除表面的氧化皮，然后分别置于不同的烧杯中并加入酒精，使用超声进行清洗，将清洗之后的合金元素取出并吹干；
35.(2)配料：从清洗过的合金原料中取料，按照合金的摩尔原子比分别称重相对应质量的合金元素并进行混合；
36.(3)烘干：将混合好的合金元素在干燥箱中进行干燥处理；
37.(4)合金熔炼：将混合物料置于真空感应炉坩埚中，关闭炉腔，抽真空至3.0
×
10
‑3pa然后反充氩气至0.5mpa；打开电源，缓慢增大电流，直至金属全部熔化，熔液静置2min然后进行浇铸。
38.(5)冷却：熔炼完成后关闭电源，使试样模具中冷却20min以上，打开炉腔得到铸态合金高熵合金。
39.(6)将铸态合金置于热处理炉进行固溶处理，之后进行大的机械变形得到变形态合金；
40.(7)将变形态合金进行退火处理得到高性能高熵合金。
41.我们通过拉伸试验机对合金进行拉伸力学性能检测，分别测试合金在低温和室温环境下的拉伸力学性能，如图1所示，根据拉伸结果可知,合金在室温下的屈服强度达到1.1gpa，同时塑性可超过20％，在低温条件下，合金的断裂强度接近1.8gpa并且保持约50％的拉伸塑性，该性能超过了目前报道的合金的性能。
42.同时，合金经历大的机械变形后没有出现裂纹，表明合金具有优异的加工成型性能，展现出巨大的应用潜力。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。