一种具有优异高温力学性能的沉淀强化型NiCoCrAlTi低密度高熵合金及制备方法

本发明涉及高温结构材料领域，特别是涉及一种具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金及制备方法。

背景技术：

1、高温合金是目前人类能够制造并使用的最复杂材料体系，在航空、航天、石油、化工、船舶等领域均具有重大应用价值。随着国家和社会的发展，汽车等民用领域对高温合金的需求越来越大。但迄今为止，绝大部分高温合金的密度在8.2g/cm3以上，一些添加难熔元素较多的高温合金密度甚至可达10g/cm3以上，这远超出了普通钢铁的密度。无论是在航空航天，还是航海，又或汽车领域，高密度都意味着高成本、低能源效率。

2、2004年，叶均蔚等人首次提出了多组元合金和高熵合金的概念，并发现高熵合金具有独特的物理特征和性能优势。高熵合金不拘泥于单一主元的运用，在成分方面已经延伸到相图的中心区域，这为高温结构材料的成分设计提供了更多的可能，也为传统高温合金的高密度难题提供了更多的解决方案。但目前bcc体系的高熵合金在高温领域应用普遍面临高密度和低抗氧化能力等问题，而fcc体系的高熵合金在高温领域的应用研究仍然较少。因此，如何设计并制备一个可以在高温条件下具有良好综合力学性能的低密度高熵合金是一个亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金及制备方法，该合金不使用nb、mo、ta、w等昂贵的难熔金属元素，密度相对传统高温合金较低，并且在室温和750℃高温下均实现了较好的力学性能。

2、本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

3、一种具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，按重量百分比计，该高熵合金的化学成分如下：

4、ni：43％～52％；co：25％～31％；cr：13％～18％；al：2.5％～3.5％；ti：5.5％～6.5％；c：0.01％～0.05％；zr：0.01％～0.05％；b：0.003％～0.05％。

5、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，该高熵合金的密度为7.8g/cm3至7.9g/cm3。

6、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，该高熵合金的微观组织由fcc相、l12相和碳化物组成。

7、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，该高熵合金中fcc相为基体相，原子无序排列，其体积含量为40％～49.5％；l12相为析出强化相，原子有序排列，其体积含量为50％～59.5％；合金中碳化物有mc和m23c6两种碳化物，mc体积含量为0.1％～0.5％，m23c6体积含量为0.01％～0.05％。

8、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，该高熵合金中有大小两种尺度的l12相，小l12相的尺寸范围为20nm～250nm，大l12相的尺寸范围300nm～2μm，且小l12相和大l12相沿枝晶和枝晶间分布；mc碳化物在大l12相区域析出，m23c6碳化物在晶界不连续析出。

9、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

10、(1)按预设成分配比称取原材料，采用电弧熔炼制备合金锭；

11、(2)使合金锭在电弧熔炼炉的铜坩埚中自然冷却；

12、(3)将冷却后的合金锭封入石英管，经过固溶处理和时效处理，获得沉淀强化型nicocralti高熵合金。

13、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金的制备方法，步骤(3)中，固溶处理温度为1150℃±20℃，保温时间为2～5h，空冷至室温；时效处理温度为750℃±20℃，保温时间为4～24h，空冷至室温。

14、所述的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金的制备方法，该高熵合金的性能指标为：室温下拉伸，屈服强度为950mpa至1050mpa，抗拉强度为1100mpa至1200mpa，延展率为7％至15％；750℃高温下拉伸，屈服强度为850mpa至900mpa，抗拉强度为950mpa至1050mpa，延展率为12％至15％。

15、本发明的设计思路如下：

16、(nicofe)86al7ti7高熵合金在经过一系列的变形及热处理后展现出了优越的室温力学性能，但该高熵合金并未进行高温力学性能的试验和研究。本发明以此合金为基础，根据合金高温性能的需求进行了改良设计。为了使设计的合金在高温下拥有较好的抗氧化能力，我们添加了13％～18％质量分数的cr元素。因为cr元素与fe元素在一起时极易形成σ相和laves相等对合金性能有不利影响的硬脆tcp相，为了避免合金中析出过多的tcp相，我们在合金中选择不添加fe元素。针对合金的密度低于8g/cm3的要求，在合金中不添加高密度的难熔元素，但可能会导致合金在高温条件下强度不足，为了拥有较高的室温及高温屈服强度，我们选择保持较高的al(2.5％～3.5％)和ti(5.5％～6.5％)元素的质量分数，以此保证高l12沉淀强化相的体积分数。为了维持较低的层错能，使合金在变形的过程中易于开动层错增加延展性，co的质量分数设置为25％～31％。因为本发明高熵合金为多晶结构，在高温下极易发生晶界弱化和晶间滑动，为了加强在高温下晶界的结合力，我们添加了c(0.01～0.05wt.％)、zr(0.01～0.05wt.％)和b(0.003～0.05wt.％)等微量元素。

17、另外，本发明通过电弧熔炼法将各金属元素熔炼成一块合金锭，并在铜坩埚中自然冷却。将冷却后的合金锭封入石英管进行热处理，具体的热处理制度为：1150℃固溶处理2～5h，750℃时效处理4～24h，所有冷却方式均为空冷。经过以上热处理，制备出了拥有小l12相和大l12相沿枝晶和枝晶间分布的异质结构，且一次碳化物倾向于在大l12相区域析出。

18、借由上述技术方案，本发明具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金至少具有下列优点：

19、1.本发明的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，密度为7.8g/cm3至7.9g/cm3，远低于传统高温合金大于8.2g/cm3的密度范围。其制备工艺流程简单，高温力学性能优异，极大地提高了高熵合金在高温结构材料领域的应用价值和应用潜力。

20、2.本发明的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，具有良好的室温拉伸性能。室温下拉伸，屈服强度为950mpa至1050mpa，抗拉强度为1100mpa至1200mpa，延展率为7％至15％。

21、3.本发明的具有优异高温力学性能的沉淀强化型nicocralti低密度高熵合金，具有优异的高温拉伸性能。750℃高温下拉伸，屈服强度为850mpa至900mpa，抗拉强度为950mpa至1050mpa，延展率为12％至15％。