一种具有高温抗氧化性能的高熵合金及其制备方法

本发明涉及金属材料，尤其涉及一种具有高温抗氧化性能的高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、热障涂层的应用对保持高效燃气轮机的稳定运行至关重要，它主要由金属间粘结层和陶瓷层组成；粘结层提高了基体合金的耐高温氧化腐蚀能力，解决了基体与涂层之间的热膨胀不匹配问题。然而，随着燃气轮机使用温度的升高(>1100℃)，使传统的mcra ly合金粘结层已无法满足规范要求。在这种背景下，熵工程为提高合金在极端条件下的抗氧化性和力学性能提供了一种重要方法。

2、高熵合金因其特殊的力学性能和微观结构而越来越受到人们的重视，高温下也表现出良好的力学性能，是一种极具潜力的高温粘结层材料。但目前高熵合金的高温抗氧化性能任不够理想(大部分高熵合金在超过1100℃经过100h的氧化循环后，表面已经形成尖晶石，氧化铝层大量脱落)，不能满足长期使用。

3、综上所述，有必要研究一种具有高温抗氧化性能的高熵合金及其制备方法以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有高温抗氧化性能的高熵合金及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、n i五种元素，及改性元素、活性元素；所述改性元素为ta；所述活性元素为y、hf中的任意一种或两种；按摩尔百分比计，a l：16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，改性元素：0.4～1％，活性元素：0～0.12％、余量为n i。

4、在一定的掺杂水平下，hf元素可以影响氧化层的晶粒组织，延缓氧元素的内部扩散。y/hf掺杂能显著提高高熵合金的高温抗氧化性，降低了其氧化速率，提高抗剥落性能。此外，ta掺杂可以降低o活性，延缓al向外扩散。该高熵合金材料的能够在1100℃空气氛围下下，长期服役超过670小时，不仅具有较低的氧化速率和较高的抗剥落性能，同时表面能够形成连续且致密的氧化铝层，并且无尖晶石等其他氧化物的生成。

5、优选地，所述高熵合金包括a l、co、cr、fe、n i、ta六种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，余量为n i。

6、优选地，所述高熵合金包括a l、co、cr、fe、n i、ta、y七种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，y：0.02～0.06％，余量为n i。

7、优选地，所述高熵合金包括a l、co、cr、fe、n i、ta、hf七种元素；按摩尔百分比计，a l；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，hf：0.02～0.06％，余量为n i。

8、优选地，所述高熵合金包括a l、co、cr、fe、n i、ta、hf、y八种元素；按摩尔百分比计，a l；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，hf：0.02～0.06％，y：0.02～0.06％，余量为n i。

9、上述具有高温抗氧化性能的高熵合金的制备方法，包括以下步骤:

10、(1)按照高熵合金的元素的摩尔百分比称取原料；

11、(2)将原料置于坩埚中并放入真空电弧熔炼炉中进行熔炼，待合金冷却后将其翻转，重复此操作4～5次使原料成分均匀化，关闭真空电弧熔炼炉停止工作并随炉冷却；

12、(3)待炉温降至50℃以下时，取出坩埚中熔炼的合金，即获得具有高温抗氧化性能的高熵合金。

13、优选地，步骤(2)中所述真空电弧熔炼炉在使用前利用高纯氩气冲洗直至炉内无杂质；待真空电弧熔炼炉冲洗无杂质后使炉内的真空高于1.0e-4pa。

14、优选地，步骤(2)中所述原料置于坩埚中并放入真空电弧熔炼炉中进行熔炼为：将真空电弧熔炼炉的压强抽到5×10e-4pa以下，开启真空电弧熔炼炉，以25～30kw的功率使真空电弧熔炼炉缓慢加热；待20～30min后将真空电弧熔炼炉的功率增大到45kw，电流为200～220a，使真空炉迅速升温至1750～1870℃进行熔炼。

15、优选地，步骤(2)中所述熔炼的过程中需通入氩气，氩气的气流量为0.05mpa。

16、本发明的有益效果在于：

17、1、本发明通获得的具有高温抗氧化性能的高熵合金相对于未添加改性元素和活性元素的alcocrfeni高熵合金，该具有高温抗氧化性能的高熵合金材料可在超过1100℃空气中长时效氧化后，表面依然形成连续致密的氧化铝层，并且在表面未发现尖晶石的生成，表现出优异的高温抗氧化性能。

18、2、本发明掺杂的改性元素和活性元素，可以显著提高合金的高温抗氧化性。在一定的掺杂水平下，hf元素可以影响氧化层的晶粒组织，延缓氧元素的内部扩散；y/hf掺杂能显著降低高熵合金氧化速率；此外，ta掺杂可以降低o活性，延缓al向外扩散。

技术特征：

1.一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、ni五种元素，及改性元素、活性元素；所述改性元素为ta；所述活性元素为y、hf中的任意一种或两种；按摩尔百分比计，al：16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，改性元素：0.4～1％，活性元素：0～0.12％、余量为ni。

2.根据权利要求1所述的一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、ni、ta六种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，余量为ni。

3.根据权利要求1所述的一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、ni、ta、y七种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，y：0.02～0.06％，余量为ni。

4.根据权利要求1所述的一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、ni、ta、hf七种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，hf：0.02～0.06％，余量为ni。

5.根据权利要求1所述的一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括al、co、cr、fe、ni、ta、hf、y八种元素；按摩尔百分比计，al；16～22％，co：15～20％，cr：15～20％，fe：15～20％，ta：0.4～1.0％，hf：0.02～0.06％，y：0.02～0.06％，余量为ni。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的具有高温抗氧化性能的高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

7.根据权利要求6所述的具有高温抗氧化性能的高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述真空电弧熔炼炉在使用前利用高纯氩气冲洗直至炉内无杂质；待真空电弧熔炼炉冲洗无杂质后使炉内的真空高于1.0e-4pa。

8.根据权利要求6所述的具有高温抗氧化性能的高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述原料置于坩埚中并放入真空电弧熔炼炉中进行熔炼为：将真空电弧熔炼炉的压强抽到5×10e-4pa以下，开启真空电弧熔炼炉，以25～30kw的功率使真空电弧熔炼炉缓慢加热；待20～30min后将真空电弧熔炼炉的功率增大到45kw，电流为200～220a，使真空炉迅速升温至1750～1870℃进行熔炼。

9.根据权利要求6所述的具有高温抗氧化性能的高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述熔炼的过程中需通入氩气，氩气的气流量为0.05mpa。

技术总结
本发明公开了一种具有高温抗氧化性能的高熵合金，所述高熵合金包括Al、Co、Cr、Fe、Ni五种元素，及改性元素、活性元素；所述改性元素为Ta；所述活性元素为Y、Hf中的任意一种或两种；按摩尔百分比计，Al：16～22％，Co：15～20％，Cr：15～20％，Fe：15～20％，改性元素：0.4～1％，活性元素：0～0.12％、余量为Ni。本发明的高熵合金材料的能够在1100℃空气氛围下下，长期服役超过670小时，不仅具有较低的氧化速率和较高的抗剥落性能，同时表面能够形成连续且致密的氧化铝层，并且无尖晶石等其他氧化物的生成。

技术研发人员：冯晶,胡峻豪,谷仓,李超,宋建博
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12