网状多主元硅化物强化难熔高熵合金、制备方法及应用

本发明属于金属材料及其制备领域，尤其涉及一种网状多主元硅化物强化难熔高熵合金、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着现代科学技术的不断进步发展，航空航天以及核工业等对高温材料提出了越来越高的要求。如航空发动机的推重比与燃烧室所用高温材料的工作温度直接相关，而受合金熔点的限制，目前在航空航天领域广泛使用的镍基高温合金已达到承温极限，难以支撑更高性能航空航天飞行器的发展。对于承温能力更强的难熔金属合金以及超高温陶瓷材料来说，则面临室温加工性能较差、超高温强度不足、耐氧化性能差等问题，目前对于高性能超高温结构材料的研发迫在眉睫。

2、难熔金属元素硅化物以其高熔点、低密度和优良的高温性能等特点受到了日益广泛的关注。其中，nb-si基合金的密度较低(6.6～7.2g/cm3)，在凝固过程中能够形成由铌基固溶体和铌硅金属间化合物(nb3si、nb5si3)组成的共晶组织，是极具潜力的新型超高温材料，然而，该类合金的室温断裂韧度差，冷加工和装配困难限制了其进一步推广和使用。如果能够通过引入不同的强韧化机制在提升其超高温强度的同时改善室温脆性问题，实现nb-si基合金室温断裂韧性和高温强度的良好匹配，将有助于开发出具有优异性能的新一代超高温结构材料。

3、高熵合金基于多组元的独特设计理念而提出的一类新型无序合金，通过将多个合金元素以近等摩尔比进行混合，能够获得比单一元素固溶体更优异的强度、高温热稳定性、耐蚀性和高温抗氧化性等，尤其是将高熵合金的概念和难熔金属元素结合起来而提出的难熔高熵合金，表现出了极强的竞争力，如wnbmota、wnbmotav等难熔高熵合金在1600℃依然能够维持一定的强度和结构稳定性。若通过将难熔高熵合金的设计理念与nb-si基合金的共晶组织特征相结合，在共晶组织的双相协同强化的基础上引入难熔高熵合金独特的强化特性，将能够实现室温强塑性和高温性能的良好匹配。

技术实现思路

1、本发明公开了一种网状多主元硅化物强化难熔高熵合金、制备方法及应用，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，该高熵合金的原子百分比的表达式为nbamobtacwdmesifdg，其中m为ti、zr、hf、v、cr、fe、co、ni、ir、ru、re、rh、y、la、al中的至少一种；d为b、c、o、n中的至少一种，且各成分的原子百分含量为：0＜a≤50at％，0＜b≤50at％，0＜c≤50at％，0＜d≤50at％，0≤e≤35at％，0＜f≤30at％，0≤g≤20at％,且a+b+c+d+e+f+g＝100。

3、进一步，所述网状多主元硅化物强化难熔高熵合金具有多主元金属元素组成的bcc无序固溶体相和网状结构。

4、进一步，所述网状结构为多主元硅化物及伴随形成的少量的碳化物或硼化物。

5、进一步，当a＝22.5，b＝22.5，c＝22.5，d＝22.5，f＝10.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb22.5mo22.5ta22.5w22.5si10，合金室温的强度为2100mpa，塑性达到6％，1600℃下的高温强度为400mpa。

6、进一步，当a＝20.0，b＝20.0，c＝20.0，d＝20.0，e＝10，f＝10.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb20mo20ta20w20hf10si10，合金室温的强度为2480mpa，塑性达到6％，1600℃下的高温强度为430mpa。

7、进一步，当a＝27.5，b＝10.0，c＝27.5，d＝15.0，e＝6.0，f＝10.0,g＝4.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb27.5mo10ta27.5w15hf6si10c4，合金室温的强度达到2800mpa，塑性超过5％，1600℃下的高温强度为460mpa。

8、进一步，当a＝22.0，b＝22.0，c＝22.0，d＝22.0，f＝6.0，g＝6.0；所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb22mo22ta22w22si6c4b2.，，合金强度为2350mpa，塑性为6％，1600℃下的高温强度为420mpa。

9、进一步，当a＝30.5，b＝10.0，c＝30.5，d＝15.0，f＝10.0，g＝4.0；所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb30.5mo10ta30.5w15si10c4，合金室温的强度达到3000mpa，塑性超过6％，1600℃下的高温强度为480mpa。

10、本发明另一目的是提供一种制备上述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金的方法，该方法具体包括以下步骤：

11、s1)原料准备：采用纯度超过99.9％的冶金纯元素为原料，清除金属元素的氧化层和杂质，并放入乙醇或丙酮中超声清洗，同时分别将大颗粒状b和/或c棒剪成细小的颗粒，将si元素制成表面光亮的小块；

12、s2)称量：按照设计成分的原子比分别计算每种合金和类金属的质量，再进行称量配比，分别将各个元素按熔点差异平均置于两个不同的坩埚内，元素摆放时首先将小颗粒的类金属元素置于坩埚的最底层，其他金属元素按照熔点由低到高的顺序依次摆放；

13、s3)合金熔炼：使用真空非自耗钨电极电弧炉熔炼合金，对样品室抽真空，当真空度高于5*10-3pa后，充入高纯氩气；将s3)合金元素的摆放规则首先炼制预合金，为使该预合金成分均匀分布，将其熔炼至少五遍；再将预合金成分转移至同一坩埚内并熔炼至少五遍，使最终熔成一个所设计成分的合金锭，每次熔炼过程中电弧至少保持2min，同时在每遍熔炼前将铸锭翻转并倾斜38-43°,使最终获得成分均匀的高熵合金铸锭。

14、一种如上述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金应用在航空发动机、燃气轮机的涡轮及燃烧室中的承温材料。

15、本发明的优点在于：

16、1.本发明所提供的一系列网状多主元硅化物强化nbmotaw基高熵合金，可根据实际应用需求进行合理成分调控，因此该合金具有大的成分适用范围以及宽泛的制备条件。

17、2.si具有更低的密度(ρ＝2.33g/cm3)，因此一定含量si的添加所形成的网络状硅化物可显著降低合金的整体密度。

18、3.形成的硅化物通常具有更高的强度，硅化物的形成可显著降低裂纹的敏感性，尤其在铸造和变形阶段产生的内应力的影响，密集的网络状硅化物可有效抑制裂纹的扩展。室温下在合金变形初期大量的位错在bcc基体中滑移，产生一定的塑性，同时硅化物可阻碍位错的移动，从而提高合金的强度和塑性。在高温变形阶段作为硬质强化相的硅化物可显著抑制合金的变形行为，提高了合金的稳定性。

19、4.本发明所涉及的一系列网络状硅化物强化nbmotaw基难熔高熵合金具有优异的室温强度和塑性，具备一定的加工能力，难熔高熵合金的室温强度不低于2100mpa，塑性不低于5％，1600℃下的高温强度不低于400mpa。

技术特征：

1.一种网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nbamobtacwdmesifdg，其中m为ti、zr、hf、v、cr、fe、co、ni、ir、ru、re、rh、y、la、al中的至少一种；d为b、c、o、n中的至少一种，且各成分的原子百分含量为：0＜a≤50at％，0＜b≤50at％，0＜c≤50at％，0＜d≤50at％，0≤e≤35at％，0＜f≤30at％，0≤g≤20at％,且a+b+c+d+e+f+g＝100。

2.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，所述网状多主元硅化物强化难熔高熵合金具有多主元金属元素组成的bcc无序固溶体相和网状结构。

3.根据权利要求2所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，所述网状结构为多主元硅化物及伴随形成的少量的碳化物或硼化物。

4.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于,当a＝22.5，b＝22.5，c＝22.5，d＝22.5，f＝10.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb22.5mo22.5ta22.5w22.5si10，合金室温的强度为2100mpa，塑性达到6％，1600℃下的高温强度为400mpa。

5.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，当a＝20.0，b＝20.0，c＝20.0，d＝20.0，e＝10，f＝10.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb20mo20ta20w20hf10si10，合金室温的强度为2480mpa，塑性达到6％，1600℃下的高温强度为430mpa。

6.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，当a＝27.5，b＝10.0，c＝27.5，d＝15.0，e＝6.0，f＝10.0,g＝4.0，所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb27.5mo10ta27.5w15hf6si10c4，合金室温的强度达到2800mpa，塑性超过5％，1600℃下的高温强度为460mpa。

7.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，当a＝22.0，b＝22.0，c＝22.0，d＝22.0，f＝6.0，g＝6.0；所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb22mo22ta22w22si6c4b2，合金强度为2350mpa，塑性为6％，1600℃下的高温强度为420mpa。

8.根据权利要求1所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金，其特征在于，当a＝30.5，b＝10.0，c＝30.5，d＝15.0，f＝10.0，g＝4.0；所述高熵合金的原子百分比的表达式为nb30.5mo10ta30.5w15si10c4，合金室温的强度达到3000mpa，塑性超过6％，1600℃下的高温强度为480mpa。

9.一种制备如权利要求1-8任意一项所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

10.一种如权利要求1-8任意一项所述的网状多主元硅化物强化难熔高熵合金应用在航空发动机、燃气轮机的涡轮及燃烧室中的承温材料。

技术总结
本发明公开了一种网状多主元硅化物强化难熔高熵合金、制备方法及应用。具体是通过添加不同含量的Si元素调控NbMoTaW系难熔高熵合金的微观结构，在体心立方结构的难熔高熵合金基体中析出呈网状结构分布的硅化物强化相，该结构能够抑制变形阶段裂纹的扩展，同时具有优异的高温稳定性。并根据成分配比精确称量各元素单质颗粒后，利用非自耗真空电弧炉熔炼所得。本发明所设计难熔高熵合金组织特征可通过改变所加入Si元素含量进行调控，从而达到调控性能和降低材料密度的目的。且难熔高熵合金的室温强度不低于2100MPa，塑性不低于5％，1600℃下的高温强度不低于400MPa。

技术研发人员：吴渊,王正奇,申耀祖,王辉,刘雄军,蒋虽合,张晓宾,吕昭平
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7