一种新型高熵形状记忆合金及制备方法

：本发明涉及材料制备，具体涉及一种新型高熵形状记忆合金及制备方法。

背景技术

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背景技术：

1、形状记忆合金是指一种在加热升温后能完全消除其在低温马氏体条件下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆效应”的合金材料。形状记忆合金为一种集温度感知、驱动力输出为一体的智能材料，在应用中可以简化机械零件的结构和系统的复杂程度，简化能量和动力的传递过程，提高设备的效率，已经广泛应用于航空航天零部件、智能汽车传感器、机电设备自动化、生物医疗等领域。

2、和传统合金只具有一种到两种主元相比，高熵合金高熵合金具有多种主元，每种元素的浓度在5％～35％之间，在“鸡尾酒效应”的作用下，形成单一固溶体相。由于高熵合金原子半径的差别，因此具有严重的晶格畸变效应，从而使得高熵合金的硬度和延展性均得到了提高，在航空航天高强度零部件制造、机械零件的防腐耐磨以及生物医学等领域得到了广泛的应用。

3、近期，将高熵合金与形状记忆合金的概念结合在一起，形成新的材料开发了研究交叉领域，开发出高熵形状记忆合金成为了材料领域的新研究点。此领域打破了形状记忆合金的设计的局限性，同时为高熵合金的研发指明了新的发展方向。

4、feni基合金的优点铁基弹性制冷合金由于其潜热值大、加工性能优异和低成本，可在较高温度下呈现出形状记忆效应，在高温环境下具有巨大的应用潜力，具有良好的工业应用前景。此外，feni基合金具有价格低廉，高温流动性好，宽相变温度窗口等特点。

5、因此，开发一种新型高熵形状记忆合金及制备方法十分重要，有利于高熵形状记忆合金的工业化应用。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明提供的一种新型高熵形状记忆合金及制备方法，打破了形状记忆合金的设计的局限性，同时为高熵合金的研发指明了新的发展方向，旨在解决高温用高熵形状记忆合金。

2、本发明采用下述技术方案：

3、一种新型高熵形状记忆合金及制备方法，由fe、ni、co、ti、nb五种元素构成bcc马氏体基体相；fe、ni、co、ti、nb五种元素构成feanibcoctidnbe成分，a，b，c，d，e分别为五个元素的原子百分比；其中a＝53.85，b＝28.10，c＝5.22，d＝6.12，e＝6.71，a+b+c+d+e＝100；feanibcoctidnbe合金的马氏体相变开始温度ms为358.85℃，马氏体相变结束温度mf为442.95℃，马氏体相变温度窗口范围δtm为86.52℃，奥氏体相变开始温度as为439.55℃，奥氏体相变结束温度af为353.03℃，奥氏体相变温度窗口范围δta为84.10℃，相变温度滞后为δthysteretic＝af-ms＝-5.82℃；在20℃时，其显微硬度控制在380hv≤h≤420hv范围内，平均显微硬度达到400.33hv；在440℃时，在5.8％预应变条件下，形状回复应变为2.2％，应变回复率为3.6％；在440℃时，5.2％预应变条件下，其超弹性能达到6.3％，重复8个循环能达到线性超弹性；feanibcoctidnbe合金的熔点为2483℃。

4、为了使feni合金的马氏体相变时具有更大的焓值和熵值，加入了ti元素；为了使feni合金的晶粒更加细化，加入了co元素；为了使feni合金的非热弹性马氏体转变为热弹性马氏体，加入了nb元素使得feni合金的马氏体热弹性化；另一方面，nb元素的加入使得feni基高熵形状记忆合金的晶粒细化；随着nb元素的加入，一方面增加了晶格畸变，降低了相变的难度，从而减小了温度滞性；采用nb、ni、co、ti等元素掺杂来形成高熵形状记忆合金来提高feni合金的相变温度，减小相变温度滞后，改善热循环稳定性和提高形状记忆效应，具备高熵合金效应。

5、所述的feanibcoctidnbe高熵形状记忆合金，具体步骤如下：

6、步骤一：选用fe、ni、co、ti、nb五种元素，根据原子百分比依次为a＝53.85，b＝28.10，c＝5.22，d＝6.12，e＝6.71精确称量，并根据熔点由低到高的顺序，ni(1453℃)、co(1495℃)、fe(1438℃)ti(1668℃)、nb(2468℃)的顺序，依次放入24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉的石墨坩埚之中。

7、步骤二：关闭炉门，将24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉抽至真空状态(氧分压≤2％)。

8、步骤三：充入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体，气体压力控制在0.15～0.2mpa之间。

9、步骤四：将充入纯度为99.99wt％高纯氩气的24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉抽至真空状态，真空度≥98％；再充入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体，气体压力控制在0.15～0.2mpa之间。

10、步骤五：重复步骤四直至氧分压≤0.2％。

11、步骤六：开启24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉，功率设定为13.8kw，对feanibcoctidnbe合金进行熔炼，直至合金全部熔化并混合均匀。

12、步骤七：关闭24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉，使feanibcoctidnbe合金随炉冷却至室温。

13、步骤八：打开24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉，取出石墨坩埚，得到feanibcoctidnbe合金。

14、步骤九：打开1200℃马弗炉炉门，将feanibcoctidnbe合金放入炉腔，进行合金均匀化处理。

15、步骤十：升温速率设定为3℃/min，升温时间设定为210min，使得马弗炉炉腔内温度达到600℃，然后在600℃保持4h，使得feanibcoctidnbe合金元素分布更加均匀。

16、步骤十一：均匀化处理后，打开1200℃马弗炉炉门，用坩埚钳将feanibcoctidnbe合金从炉腔中取出，放入温度为40℃的水中，进行淬火热处理，进一步促进马氏体的生成以使得feanibcoctidnbe合金具有良好的形状记忆效应，同时提高合金的硬度，使得feanibcoctidnbe合金展现出良好的高熵合金的高强度特性。

17、步骤十二：从水中取出feanibcoctidnbe合金样品，待feanibcoctidnbe合金冷却至室温，得到feanibcoctidnbe合金。

18、采用本发明的有益效果是，本发明为一种新型高熵形状记忆合金材料，组成为feanibcoctidnbe合金，通过24kw惰性气体保护真空高频感应熔炼炉制备得到具有bcc结构的马氏体基体相。通过合理的元素及价电子理论设计，feanibcoctidnbe合金兼具高相变温度、小的温度滞性及较高的弹性模量。

19、sem及xrd测试结果显示，该合金组成为bcc结构马氏体基体相。feanibcoctidnbe合金具有高相变温度，小的温度滞性以及较高的弹性模量，另外也具有一定的超弹性。feanibcoctidnbe合金的马氏体相变开始温度ms为358.85℃，马氏体相变结束温度mf为442.95℃，马氏体相变温度窗口范围δtm为86.52℃，奥氏体相变开始温度as为439.55℃，奥氏体相变结束温度af为353.03℃，奥氏体相变温度窗口范围δta为84.10℃，相变温度滞后为δthysteretic＝af-ms＝-5.82℃；在20℃时，其显微硬度控制在380hv≤h≤420hv范围内，平均显微硬度达到400.33hv；在440℃时，在5.8％预应变条件下，形状回复应变为2.2％，应变回复率为3.6％；在440℃时，5.2％预应变条件下，其超弹性能达到6.3％，重复8个循环能达到线性超弹性；feanibcoctidnbe合金的熔点为2483℃。