一种AlCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法

本发明涉及高熵合金材料，尤其涉及一种alcrfeniti高熵合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、当前国内外制备轻质高熵合金结构材料主要包括三个体系，分别是以常规金属元素al、co、cr、fe、ni为主的合金体系、含有一种或几种难熔金属元素nb、w、mo、ta的合金体系以及含有mg、li等超低密度元素的合金体系。在高熵合金的四大效应作用下，轻质合金元素通常具有较大的原子半径，与其他元素形成稳定固溶体的形式存在时，会产生显著的晶格畸变效应，合金的强度和硬度明显提高，但塑性通常会随之降低。其中以al、mg、li、zn、ti为主的高熵合金体系绝大部分密度≦4.5g/cm3(传统钛合金)，硬度≧400hv，是目前比硬度较高的轻质高熵合金体系，铝合金、镁合金和钛合金在航空航天等领域作为轻质结构材料用途广泛。其中超高强铝合金最初在20世纪90年代的美国、日本、英国等工业发达国家在研发和应用方面达到了极高水平，且广泛用于制造交通领域的结构件。而国内对超高强铝合金研究起步较晚，虽然已经在某些航天运载器发动机燃烧室壳体、喷管、飞机轮毂等结构中使用高性能铝合金取代30crmnsia及钛合金产品，但目前铝合金的力学性能仍需进一步提升，通常强度的提升会造成塑性降低，在后续热处理工艺和切削加工工艺过程中还存在淬透性差、淬火残余应力大、机加工难度大等问题，致使制备加工出具备一定力学性能的铝合金结构件存在一定难度。因此，开发具备高强度、高塑性、高耐磨性、高耐腐蚀性、成型性优良的新型经济的轻质高熵合金成为轻质高强材料研究热点。

2、实现材料的低密度和优异力学性能兼备一直以来都是轻质结构材料研究领域的焦点问题，尤其是近年来能源交通，3c行业、军事工业以及航空航天等领域的飞速发展，对轻质结构材料提出了更高要求。针对这一问题，国内外研究工作者进行了一系列的探索，例如在结构设计方面进行轻量化设计，在轻质材料选择方面采用以塑代钢、选用轻质合金和采用高强钢代替普钢、铸铁件来实现减重目的。近年来，虽然铸造镁合金的性能有一定提升，但变形镁合金具有更佳的力学性能和延伸率，对于小尺寸的结构件抗拉强度可达到400mpa以上且耐高温，但该方法制备的大型镁合金结构件力学性能并不理想，总体抗拉强度在200至300mpa。此外，通过球磨处理将氧原子固溶钛合金的方法产生固溶强化，采用放电等离子烧结法制备块状样品，实现了高压缩屈服强度(1160mpa)高压缩塑性(44％)，但该制备方法成本高且样品尺寸小，对模具要求较高，离工业应用甚远。上述研究表明，高强度、高塑性的轻质结构材料的获得仅通过传统合金制备难以实现。常用的轻质元素一般以al、mg、li、zn、ti为主，通过机械合金化法、电弧熔炼法或感应熔炼法进行制备，但是目前对于轻质高熵合金，室温脆性和铸态下成分偏析、缩孔等问题有待解决。

3、因此，开发新型低成本的轻质高熵合金材料以实现强韧性和密度的新平衡，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种alcrfeniti高熵合金材料及其制备方法，得到的高熵合金材料解决了轻质高熵合金室温脆性的问题，同时克服了低密度和优异力学性能的难以权衡的困难，实现轻质合金的性能的较大突破。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种alcrfeniti高熵合金材料，其名义化学式为：(alni)x(fecr)4-xtiy，其中，0.5<x<3.5，0<y≤1。

4、采用此技术方案，该高熵合金材料的成分在alcocrfeni体系基础上去除昂贵元素co以降低成本，添加少量ti进行替代，在牺牲较小密度的同时大幅度提升了合金的力学性能，使得到的高熵合金材料同时具有低密度和优异的力学性能。

5、作为本发明的进一步改进，1≤x≤3，0.25≤y≤0.5。

6、作为本发明的进一步改进，所述alcrfeniti高熵合金材料的名义化学式为：(alni)1.5(fecr)2.5ti0.25。此技术方案中，(alni)1.5(fecr)2.5ti0.25高熵合金的密度为6.71g/cm3，压缩屈服强度与塑性分别为1686.4mpa和22.3％，比屈服强度高达251.3mpa，cm3/g，实现了较低密度和优异力学性能的结合。

7、本发明还公开了如上所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其包括：

8、步骤s1，按名义配比将组分中al、cr、fe、ni、ti原料进行配料；

9、步骤s2，使用真空氩弧熔炼的方法对al、cr、fe、ni、ti原料进行熔炼，得到alcrfeniti高熵合金锭。

10、采用此技术方案，结合高熵合金概念对轻质合金进行成分设计，通过真空氩弧熔炼法制备了轻质高熵合金，方法简单。

11、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述真空氩弧熔炼条件为：在真空度达到5.0×10-3pa以下时，通入保护气氩气至真空度为2.5×10-2pa，对al、cr、fe、ni、ti的混合物及进行熔炼。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s2包括将合金重熔5次以上，可以更好的保证化学均匀性。优选的，合金重熔5次。

13、作为本发明的进一步改进，每次熔炼时间为2-5分钟，焊机电流为180-220a。

14、作为本发明的进一步改进，每次熔炼时间为3分钟，焊机电流为200a。

15、作为本发明的进一步改进，al、cr、fe、ni、ti原料为纯度为99.99wt.％的al、cr、fe、ni、ti颗粒。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、采用本发明的技术方案，在alcocrfeni体系基础上去除昂贵元素co以降低成本，添加少量ti进行替代，实现固溶强化、细晶强化、第二相强化等多种强化工艺为一体，在牺牲较小密度的同时大幅度提升了合金的力学性能；通过增加少量fe、cr元素，使基体中bcc相增多，利于变形过程中剪切带的均匀分布，最终实现塑性的大幅提升。本发明的高熵合金解决了现有技术中轻质高熵合金室温脆性的问题，同时克服了低密度和优异力学性能的难以权衡的困难，得到的alcrfeniti系轻质高熵合金不含昂贵元素钴，成本低，更加经济，且该alcrfeniti高熵合金可以在保持较低密度6.71g/cm3的前提下，达到了屈服强度1686.4mpa、塑性22.3％以及比屈服强度为251.3mpa·cm3/g优异技术指标。

技术特征：

1.一种alcrfeniti高熵合金材料，其特征在于：其名义化学式为：(alni)x(fecr)4-xtiy，其中，0.5<x<3.5，0<y≤1。

2.根据权利要求1所述的alcrfeniti高熵合金材料，其特征在于：1≤x≤3，0.25≤y≤0.5。

3.根据权利要求2所述的alcrfeniti高熵合金材料，其特征在于：所述alcrfeniti高熵合金材料的名义化学式为：(alni)1.5(fecr)2.5ti0.25。

4.如权利要求1所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其特征在于：其包括：

5.根据权利要求4所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述真空氩弧熔炼条件为：在真空度达到5.0×10-3pa以下时，通入保护气氩气至真空度为2.5×10-2pa，对al、cr、fe、ni、ti的混合物及进行熔炼。

6.根据权利要求5所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其特征在于：步骤s2包括将合金重熔5次以上。

7.根据权利要求6所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其特征在于：每次熔炼时间为2-5分钟，焊机电流为180-220a。

8.根据权利要求7所述的alcrfeniti高熵合金材料的制备方法，其特征在于：每次熔炼时间为3分钟，焊机电流为200a。

技术总结
本发明提供了一种AlCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法，该AlCrFeNiTi高熵合金材料的名义化学式为：(AlNi)<subgt;x</subgt;(FeCr)<subgt;4‑x</subgt;Ti<subgt;y</subgt;，其中，0.5<x<3.5，0<y≤1，使用真空氩弧熔炼的方法制备得到。采用本发明的技术方案，解决了现有技术中轻质高熵合金室温脆性的问题，同时克服了低密度和优异力学性能的难以权衡的困难，得到的AlCrFeNiTi系轻质高熵合金不含昂贵元素钴，成本低，更加经济。

技术研发人员：谢国强,黎峻志,包伟宗,陈洁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13