一种高熵合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高熵合金，该高熵合金中的元素成分为非等原子比的Cr元素、Fe元素、Co元素、Ni元素和Ta元素。本发明还公开了一种高熵合金的制备方法：按照合金的元素的计量比称取Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块；再将称取的各原料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成，即得到高熵合金。本发明的高熵合金在中高温下的压缩性能优良，且在室温下具备较好的塑性，是一种综合力学性能优良的合金，满足航天材料的应用。

权利要求

1.一种高熵合金，其特征在于，该高熵合金中的元素成分为非等原子比的Cr元素、Fe元素、Co元素、Ni元素和Ta元素；

Cr元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Fe元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Co元素的原子百分含量为24.5％-25.5％，Ni元素的原子百分含量为24.5％-25.5％；Ta元素的原子百分含量为8％-12％。

2.一种高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照Cr元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Fe元素的原子百分含量为18.5％-

19.5％，Co元素的原子百分含量为24.5％-25.5％，Ni元素的原子百分含量为24.5％-

25.5％，Ta元素的原子百分含量为8％-12％，称取Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块；

(2)将步骤(1)称取的各原料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成，即得到所述高熵合金。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，熔炼过程之前，先将电弧熔炼炉中的压力真空抽至10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，每个样品熔炼的次数至少为5次，每次熔炼的时间不少于5分钟。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块的纯度均大于99.9％。

说明书

一种高熵合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于高熵合金领域，尤其涉及一种高熵合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，高熵合金(HEA)得到了人们的广泛关注。然而以往的研究表明，具有体心立方晶体结构的高熵合金具有良好的强度，但是塑性较差；具有面心立方的高熵合金具有优异的延展性，但材料结构的强度不能满足人们的需求。FeCoCrNiMn基(FCC结构)和难熔高熵合金(BCC结构)为代表的是当前高熵合金体系中最常见的两种类型，由于FCC结构特有的滑移系较多导致其塑性较好但强度较低，相反的，BCC结构的材料塑性较低但是强度较高。

[0003] 航天材料中需要研究一种高温承载结构材料，对于在高温应用的材料，高温软化现象普遍存在，提高材料高温性能的重要方法之一就是提高材料的熔点，即采用组分熔点都较高形成难熔高熵合金。难熔高熵合金与常规高温合金相比，具有更好的耐高温软化性，然而，难熔高熵合金系统的高密度(＞10g/cm3)、低室温延展性等缺点限制了它们的结构应用。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高熵合金及其制备方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0006] 一种高熵合金，该高熵合金中的元素成分为非等原子比的Cr元素、Fe元素、Co元素、Ni元素和Ta元素。

[0007] 上述的高熵合金，优选的，所述Cr元素和Fe元素的摩尔量相同，所述Co元素和Ni元素的摩尔量相同。

[0008] 上述的高熵合金，优选的，Cr元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Fe元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Co元素的原子百分含量为24.5％-25.5％，Ta元素的原子百分含量为8％-12％。

[0009] 本发明选择FeCoCrNi基高熵合金作为基体，这提供了良好的塑性，并通过加入Ta形成共晶组织，形成一种双相合金，提高了材料的高温强度。两相中一相增强一相增韧，既解决了现有技术中难熔高熵合金塑性不好，又解决了FCC高熵合金高温强度不足。

[0010] 在此基础上，本发明还调整了高熵合金中各元素的比例，将Co,Ni比例提高，Fe,Cr比例降低，选择了非等摩尔比的形式添加，提高了材料的高温性能。

[0011] 作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

[0012] (1)按照Cr元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Fe元素的原子百分含量为18.5％-19.5％，Co元素的原子百分含量为24.5％-25.5％，Ta元素的原子百分含量为8％-
12％，称取Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块；

[0013] (2)将步骤(1)称取的各原料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成，即得到所述高熵合金。

[0014] 本发明的共晶组织的高熵合金，在冷却过程中，形成共晶组织的过固溶度较大，过冷度较大，共晶组织在极短的时间内形成，得到的组织均匀细小。

[0015] 上述的制备方法，优选的，熔炼过程之前，将电弧熔炼炉中的压力真空抽至10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气。

[0016] 上述的制备方法，优选的，每个样品熔炼的次数至少为5次，每次熔炼的时间不少于5分钟。

[0017] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0018] (1)本发明的高熵合金在中高温下的压缩性能优良，且在室温下具备较好的塑性，是一种综合力学性能优良的合金，满足航天材料的应用。

[0019] (2)本发明的高熵合金密度低于10g/cm3，适合应用于航天材料中。

[0020] (3)本发明的高熵合金填补了目前高熵合金在高温具有优异压缩性能的空白。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例1中高熵合金的扫描电镜照片。

[0022] 图2是本发明实施例2中高熵合金的扫描电镜照片。

[0023] 图3是本发明实施例2中高熵合金经均匀化热处理后对应组织的扫描电镜照片。

[0024] 图4是本发明实施例3中高熵合金的扫描电镜照片。

具体实施方式

[0025] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

[0026] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

[0027] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

[0028] 实施例1：

[0029] 一种本发明的高熵合金，以原子百分比计，包括19％的Cr、19％的Fe、25％的Co、25％的Ni和12％的Ta。

[0030] 本实施例的高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0031] 采用纯度均大于99.9％的Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块作为原料，按照19％的Cr、19％的Fe、25％的Co、25％的Ni和12％的Ta比例放置于电弧熔炼炉中，真空抽至10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气，然后充入0.6个大气压的Ar2后进行熔炼，一次熔炼完成后将得到的铸锭重新熔化再次进行熔炼，如此进行电弧熔炼7次，每次熔炼的时间不少于5分钟，得到组织均匀的高熵合金。

[0032] 本实施例的高熵合金高温的各项性能测试结果见表1；其扫描电镜照片如图1所示，由图可知，其组织由暗灰色的、粗大的亚共晶枝晶和均匀细小的共晶组织组成。

[0033] 实施例2：

[0034] 一种本发明的高熵合金，以原子百分比计，包括19.5％的Cr、19.5％的Fe、25.5％的Co、25.5％的Ni和10％的Ta。

[0035] 本实施例的高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0036] 采用纯度均大于99.9％的Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块作为原料，按照19.5％的Cr、19.5％的Fe、25.5％的Co、25.5％的Ni和10％的Ta比例放置于电弧熔炼炉中，真空抽至10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气，然后充入0.6个大气压的Ar2后进行熔炼，一次熔炼完成后将得到的铸锭重新熔化再次进行熔炼，如此进行电弧熔炼6次，每次熔炼的时间不少于5分钟，得到组织均匀的高熵合金。

[0037] 本实施例的高熵合金高温的各项性能测试结果见表1；其扫描电镜照片如图2所示，由图可知，其组织由均匀细小的共晶组织组成。

[0038] 本实施例的高熵合金经均匀化热处理后对应组织的扫描电镜照片如图3所示，图3分别展示了高熵合金在均匀化退火(1100℃)下保温1、2、3、4、5、6、7、8小时的组织形貌(分别对应A、B、C、D、E、F、G、H)，从图可以明显看出，组织由最初的长条层状逐渐球化，第5-7小时组织变化不明显，第八小时组织出现了少许粗大。这说明本发明的高熵合金在高温下同时具有较高的强度和塑性。

[0039] 实施例3：

[0040] 一种本发明的高熵合金，以原子百分比计，包括18.5％的Cr、18.5％的Fe、24.5％的Co、24.5％的Ni和8％的Ta。

[0041] 本实施例的高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0042] 采用纯度均大于99.9％的Ta块、Co块、Cr块、Ni块和Fe块作为原料，按照18.5％的Cr、18.5％的Fe、24.5％的Co、24.5％的Ni和8％的Ta比例放置于电弧熔炼炉中，真空抽至10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气，然后充入0.6个大气压的Ar2后进行熔炼，一次熔炼完成后将得到的铸锭重新熔化再次进行熔炼，如此进行电弧熔炼5次，每次熔炼的时间不少于5分钟，得到组织均匀的高熵合金。

[0043] 本实施例的高熵合金高温的各项性能测试结果见表1；其扫描电镜照片如图4所示，由图可知，其组织由亮白色的粗大的过共晶枝晶和均匀细小的共晶组织组成。

[0044] 表1各实施例的共晶高熵合金和现有技术的高熵合金各项力学性能比较[0045]

[0046] 由表1可知，本发明的高熵合金的室温压缩屈服强度很高，且延塑性很好，屈服强度与其接近的CrNbTiZr，CrNbTiVZr，V20Nb20Mo20Ta20W20相当，本发明高熵合金的室温压缩延伸率超过20％。在800℃，本发明制备的共晶高熵合金仍可保持较高的屈服强度852MPa,塑性较好，密度较小，均优于其他难熔高熵合金的性能。