一种高熵合金及其制备方法

本发明涉及合金材料，尤其涉及一种高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、自2004年cator教授和叶均蔚提出高熵合金的合金设计概念以来，传统合金的设计理念发生了改变，成为了金属材料研究领域的研究热点。高熵合金倾向于形成简单固溶体为主的结构，例如fcc面心立方结构、bcc体心立方结构、hcp密排六方结构等，一般来说，fcc结构的高熵合金具有良好的塑、韧性，bcc结构的高熵合金具有高强度、高硬度和高耐磨性，但塑性不好。一般高熵合金以固溶体结构为主，铸造性能和流动性较差，铸造大体积合金块时会发生严重的成分偏析，不易成型，难以实现工业化应用。

2、为了解决这个问题，现有技术“apromising new class of high-temperaturealloys:eutectic high-entropy alloys,doi:10.1038/srep06200”公开了一种通过将高熵合金与铸造性能好的共晶合金相结合，以制备共晶高熵合金的设计思路，以使制备的合金材料兼具高熵合金和共晶合金的优点，为工业化应用提供了可能。

3、然而，在实际上制备获得的共晶高熵合金表现出优异压缩性能的共晶高熵合金体系数量有限，并且实际进行共晶高熵合金的设计和制备非常困难，并非仅按照上述现有技术的教导就可以实现的，需要进行大量实验才有可能接近共晶原子比。一方面需要制备研发更多性能优异的共晶高熵合金体系并对其微观变形行为和强化机制进行深入研究。另一方面通过微调成分法去制备近共晶高熵合金是否可以带来更优异的力学性能，值得材料研究者们的细致探索。

4、再者，目前共晶高熵合金研究多以含co为主，如alcocrfeni系，cocrfeni系，cofenivnb系等，而co元素造价昂贵，也是制约共晶高熵合金大规模工业化生产的一个重要因素。

5、为此，本发明提供一种高熵合金及其制备方法。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种高熵合金及其制备方法和应用，本发明用价格较低的fe、zr、ti等元素替代体系中的co元素，再通过微调成分法制备出具有共晶组织的共晶高熵合金或近共晶高熵合金，以促进共晶高熵合金或近共晶高熵合金的进一步研究和发展。

2、本发明的第一个目的是提供一种高熵合金，其组成为alacrbxcnid；

3、其中，a为al元素的原子百分数，10％≤a≤25％；

4、b为cr元素的原子百分数，10％≤b≤30％；

5、c为x元素的原子百分数，10％≤c≤25％；

6、d为ni元素的原子百分数，d>35％；

7、且a+b+c+d＝100％；

8、x为fe、zr的一种或两种。

9、进一步地，所述高熵合金的微观组织为短棒状共晶或具有向日葵形貌的奇特共晶。

10、进一步地，当x为fe时，所述高熵合金具有b2结构的nial相和bcc结构的fecr相，或具有b2结构的nial相、bcc结构的fecr相和fcc结构的feni相；

11、当x为zr时，所述高熵合金具有l21结构的zrni2al相和bcc结构的cr单质相。

12、本发明第二个目的是提供一种上述高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

13、步骤1，按照上述高熵合金的原子百分比配比，称取相应质量的制备原料al、cr、x和ni，将原料按照熔点由低至高的顺序，依次放入真空电弧熔炼炉的铜坩埚a中；

14、其中，x为fe、zr的一种或两种；

15、步骤2，对所述真空电弧熔炼炉进行抽真空处理，随后充入惰性气体；然后，对所述铜坩埚a内的制备原料进行电弧熔炼，反复熔炼至少5次，冷却后即获得所述高熵合金。

16、步骤3，对所述铜坩埚a内的制备原料进行电弧熔炼，反复熔炼至少5次，冷却后即获得所述高熵合金。

17、进一步地，每次电弧熔炼的熔炼电流为200～300a，电弧保持时间为3～4min；且每次电弧熔炼完成，待合金铸锭冷却后翻转铸锭，再进行下一次电弧熔炼。

18、进一步地，所述抽真空处理至真空度≤5×10-3pa。

19、进一步地，充入惰性气体至压力为0.05～0.06mpa。

20、进一步地，在对所述铜坩埚a内的制备原料进行电弧熔炼之前，还进行了除氧处理，且所述除氧处理通过以下步骤实现：

21、将钛锭置于真空电弧熔炼炉的铜坩埚b中，再进行步骤2所述抽真空处理，充入惰性气体，然后先对所述铜坩埚b中的钛锭进行熔炼，再对所述铜坩埚a内的制备原料进行电弧熔炼；

22、进一步地，对所述钛锭进行熔炼时的熔炼电流为200～300a，电弧保持时间为3～4min。

23、进一步地，制备原料al、cr、x和ni的纯度均≥99.9wt.％。

24、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

25、本发明的高熵合金为具有向日葵形貌共晶组织或大片短棒状共晶组织的共晶、近共晶高熵合金，本发明的制备方法操作简单、安全，多次翻转铸锭，熔炼时使用电磁搅拌，可以使熔炼更加均匀，降低偏析，减少铸锭中气孔的生成，能使制备的压缩试样更稳定，不受气孔等缺陷的影响；熔炼电流控制在200～300a，能使金属原料充分熔化，而不至于温度过高使得溶液飞溅。

技术特征：

1.一种高熵合金，其特征在于，其组成为alacrbxcnid；

2.如权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的微观组织为短棒状共晶或具有向日葵形貌的共晶。

3.如权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，当x为fe时，所述高熵合金具有b2结构的nial相和bcc结构的fecr相，或具有b2结构的nial相、bcc结构的fecr相和fcc结构的feni相；

4.一种权利要求1-3任意一项所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的高熵合金，其特征在于，每次电弧熔炼的熔炼电流为200～300a，电弧保持时间为3～4min；且每次电弧熔炼完成，待合金铸锭冷却后翻转铸锭，再进行下一次电弧熔炼。

6.如权利要求4所述的高熵合金，其特征在于，所述抽真空处理至真空度≤5×10-3pa。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，充入惰性气体至压力为0.05～0.06mpa。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在对所述铜坩埚a内的制备原料进行电弧熔炼之前，还进行了除氧处理，且所述除氧处理通过以下步骤实现：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，对所述钛锭进行熔炼时的熔炼电流为200～300a，电弧保持时间为3～5min。

10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备原料al、cr、x和ni的纯度均≥99.9wt.％。

技术总结
本发明属于合金材料技术领域，公开了一种高熵合金及其制备方法，所述高熵合金的组成为Al<subgt;a</subgt;Cr<subgt;b</subgt;X<subgt;c</subgt;Ni<subgt;d</subgt;；其中，a为Al元素的原子百分数，10％≤a≤25％；b为Cr元素的原子百分数，10％≤b≤30％；c为X元素的原子百分数，10％≤c≤25％；d为Ni元素的原子百分数，d>35％；且a+b+c+d＝100％；X为Fe、Zr的一种或两种；且所述高熵合金的微观组织为短棒状共晶或具有向日葵形貌的共晶。本发明的高熵合金具有向日葵形貌共晶组织或大片短棒状共晶组织，具有高强度、高塑性的力学性能，且制备方法操作简单、安全，制备效果好。

技术研发人员：陈长玖,印邦杰,陈正,矫坤远,张金勇,沈宝龙
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16