一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料及其制备方法

摘要

本申请公开了一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，所述合金材料包括高熵合金相与多主元碳化物相，所述高熵合金相包括Fe、Co、Ni，所述多主元碳化物相包括微合金元素V、Nb、Ta、Zr、C。本申请还提供制备上述多主元碳化物弥散型高熵合金材料的方法。本申请提供的合金材料，压缩屈服强度达1373MPa，同时具有超过60％压缩应变，拉伸屈服强度达841MPa，断裂强度1217MPa，同时具有4.4％断后伸长率。

权利要求

1.一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，所述合金材料包括高熵合金相与多主元碳化物相，所述高熵合金相包括Fe、Co、Ni，所述多主元碳化物相包括微合金元素V、Nb、Ta、Zr、C；

所述合金材料具体为：(Fe(30‑50)Co(30‑50)Ni(10‑20))1‑y‑(VNbTaZrCx)y，其中，VNbTaZrCx中各元素化学计量比为1:1:1:1:x，且0＜x≤4；y表示微合金元素总共占合金的摩尔分数，且0

且按照以下方法制备：

1)根据x及y的具体值计算各单质及碳化物添加量；其中，C元素以难熔金属V、Nb、Ta或Zr的二元碳化物形式引入；并根据C元素的化学计量比x，按照四种难熔金属元素对应碳化物稳定性由低到高的顺序选择碳化物；然后根据已经确定的碳化物调整微合金元素单质的添加量，以达到微合金元素1:1:1:1:x的化学计量比；

2)采用真空电弧熔炼的方法，根据步骤1)确定的量，取Fe、Co、Ni、及微合金元素单质与碳化物混合，进行熔炼；

3)将熔炼得到的合金锭进行重熔炼。

2.根据权利要求1所述的多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，所述合金材料具体为：(Fe40Co50Ni10)1‑y‑(VNbTaZrCx)y。

3.根据权利要求1所述的多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，当合金中C元素的化学计量比x＜1时，选择碳化物VC，以及V、Nb、Ta、Zr；

当合金中C元素的化学计量比x＝1时，选择碳化物VC，以及Nb、Ta、Zr；

当合金中C元素的化学计量比1＜x＜2时，选择碳化物VC、NbC，以及Nb、Ta、Zr；

当合金中C元素的化学计量比x＝2时，选择碳化物VC、NbC，以及Ta、Zr；

当合金中C元素的化学计量比2＜x＜3时，选择碳化物VC、NbC、TaC，以及Ta、Zr；

当合金中C元素的化学计量比x＝3时，选择碳化物VC、NbC、TaC，以及Zr；

当合金中C元素的化学计量比3＜x＜4时，选择碳化物VC、NbC、TaC、ZrC，以及Zr；

当合金中C元素的化学计量比x＝4时，选择碳化物VC、NbC、TaC，ZrC。

4.根据权利要求1所述的多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，所述熔炼和重熔炼在氩气气氛中进行，所述熔炼的电压为25‑35V，电流为50‑200A。

5.根据权利要求1所述的多主元碳化物弥散型高熵合金材料，其特征在于，所述重熔炼的次数大于等于5次。

说明书

一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本申请涉及合金材料技术领域，特别是涉及一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 高熵合金在结构应用中性能仍然有限，尤其是屈服强度较低。为了使材料在应用过程中满足强度、塑性、韧性的要求，还需要通过强化提高其力学性能。在金属合金材料中，
通过弥散的第二相粒子阻碍位错移动来提高屈服强度也是最常见的强化方法之一，且这种
强化不仅可以用于常温强化，还可用于高温强化。

[0003] 高熵合金中引入碳化物能进行强化，例如CoCrFeNiMnCx、Mo0.5NbHf0.5ZrTiCx、Al0.15CoCrCuFeNiTixC和(FeCoCrNi)1‑x(WC)x中生成的M23C6或M7C3型碳化物都能提高合金屈
服强度。但碳化物本征脆性大，对微裂纹十分敏感，会使得合金延伸率损失严重。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明的第一个目的为提供一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料；本发明的第二个目的为提供上述合金材料的制备方法；

[0005] 本发明提供的技术方案如下：

[0006] 一种多主元碳化物弥散型高熵合金材料，所述合金材料包括高熵合金相与多主元碳化物相，所述高熵合金相包括Fe、Co、Ni，所述多主元碳化物相包括微合金元素V、Nb、Ta、
Zr、C。

[0007] 优选地，所述合金材料具体为：(Fe(30‑50)Co(30‑50)Ni(10‑20))1‑y‑(VNbTaZrCx)y，其中，VNbTaZrCx中各元素化学计量比为1:1:1:1:x，且0＜x≤4；y表示微合金元素总共占合金的
摩尔分数，且0

[0008] 优选地，所述合金材料具体为：(Fe40Co50Ni10)1‑y‑(VNbTaZrCx)y。

[0009] 一种制备上述任一项所述的多主元碳化物弥散型高熵合金材料的方法，包括以下步骤：

[0010] 1)根据x及y的具体值计算各单质及碳化物添加量；其中，C元素以难熔金属V、Nb、Ta或Zr的二元碳化物形式引入；并根据C元素的化学计量比x，按照四种难熔金属元素对应
碳化物稳定性由低到高的顺序选择碳化物；然后根据已经确定的碳化物调整微合金元素单
质的添加量，以达到微合金元素1:1:1:1:x的化学计量比；

[0011] 2)采用真空电弧熔炼的方法，根据步骤1)确定的量，取Fe、Co、Ni、及微合金元素单质与碳化物混合，进行熔炼；

[0012] 3)将熔炼得到的合金锭进行重熔炼。

[0013] 优选地，当合金中C元素的化学计量比x＜1时，选择碳化物VC，以及V、Nb、Ta、Zr；

[0014] 当合金中C元素的化学计量比x＝1时，选择碳化物VC，以及Nb、Ta、Zr；

[0015] 当合金中C元素的化学计量比1＜x＜2时，选择碳化物VC、NbC，以及Nb、Ta、Zr；

[0016] 当合金中C元素的化学计量比x＝2时，选择碳化物VC、NbC，以及Ta、Zr；

[0017] 当合金中C元素的化学计量比2＜x＜3时，选择碳化物VC、NbC、TaC，以及Ta、Zr；

[0018] 当合金中C元素的化学计量比x＝3时，选择碳化物VC、NbC、TaC，以及Zr；

[0019] 当合金中C元素的化学计量比3＜x＜4时，选择碳化物VC、NbC、TaC、ZrC，以及Zr；

[0020] 当合金中C元素的化学计量比x＝4时，选择碳化物VC、NbC、TaC，ZrC。

[0021] 优选地，所述熔炼和重熔炼在氩气气氛中进行，所述熔炼的电压为25‑35V，电流为50‑200A。

[0022] 优选地，所述重熔炼的次数大于等于5次。

[0023] 本发明采用多主元碳化物(又称高熵碳化物、高熵陶瓷)作为传统碳化物的替代，引入高熵合金中作为强化相。通过多主元碳化物的独特特性避免合金韧性的损失，实现材
料高强度与高韧性的结合。

[0024] 通过外加方式进入合金的碳化物通常与合金基体具有非共格界面。非共格第二相与基体错配度大，会引起较大的局域弹性应变，在材料塑性变形过程中导致严重的应力集
中，促进裂纹形成，从而严重降低材料的塑性。针对此缺点，本发明采用原位内生的方式获
得碳化物。借助溶质原子在凝固过程中重新分布，析出多主元碳化物，该第二相与基体界面
晶格错配度小，引起的局域弹性应变低。同时合金中还存在一定量共晶组织，两种增强组织
协调作用，在提高材料强度的同时，仍可保持较好的塑性。

[0025] 本申请设计的(Fe(30‑50)Co(30‑50)Ni(10‑20))1‑y‑(VNbTaZrCx)y多元合金，通过引入V、Nb、Ta、Zr、与C五种微合金元素以形成稳定的单相多主元碳化物。一方面，上述四种难熔金
属元素相较于Co、Fe、Ni与C元素之间具有更低的混合焓，使得C元素倾向于与难熔元素形成
化合物。另一方面，VC、NbC、TaC、ZrC四种单碳化物室温结构均为立方岩盐结构(space 
group Fm‑3m,No.225)，根据三元相图，其两两之间在高温下可完全互溶。另外，以上四种二
元碳化物具有相近的晶格参数，这是多主元碳化物形成稳定单相的关键因素。

[0026] 根据文献，高熵陶瓷的单相稳定性判据为晶格错配度δ≤4.6％，计算公式为：

[0027]

[0028] 其中N为组元二元碳化物数量，X表示i组元的摩尔分数，a为i组元的晶格参数。通过计算得到(VNbTaZr)C的δ值为4.22％，符合以上判据。

[0029] 本申请提供的制备多主元碳化物弥散型高熵合金材料的方法，采用真空电弧熔炼制备合金铸锭。

[0030] 本申请提供的合金采用熔炼的方法，优选熔炼的电压为25‑35V，电流为50‑200A，氩气电弧中心温度可达7000℃，被加热的合金最高温度超过3000℃。优选重熔炼的次数在5
次或5次以上。

具体实施方式

[0031] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施
例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性
劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0032] 实施例1

[0033] (Fe40Co50Ni10)0.955(VNbTaZrC0.5)0.045，其中，微合金元素化学计量比为1:1:1:1:0.5，其总量占合金的4.5at.％，即合金中V、Nb、Ta、Zr的含量分别为1at.％，C含量为
0.5at.％。

[0034] 制备方法包括以下步骤：

[0035] 采用真空电弧熔炼的方法，取相应质量Fe、Co、Ni、VC、V、Nb、Ta、Zr颗粒混合放入坩埚，在氩气气氛中进行熔炼；

[0036] 为了增加化学均匀性，待合金冷却后再次电弧熔炼，所述重熔炼的次数为5次；并在坩埚内进行磁搅拌，时间超过1分钟。

[0037] 实施例2

[0038] (Fe40Co50Ni10)0.95(VNbTaZrC)0.05，其中，微合金元素化学计量比为1:1:1:1:1，其总量占合金的5at.％，即合金中V、Nb、Ta、Zr、C的含量分别为1at.％。

[0039] 制备方法包括以下步骤：

[0040] 采用真空电弧熔炼的方法，取Fe、Co、Ni、VC、Nb、Ta、Zr颗粒混合放入坩埚，在氩气气氛中进行熔炼；

[0041] 为了增加化学均匀性，待合金冷却后再次电弧熔炼，所述重熔炼的次数为5次；并在坩埚内进行磁搅拌，时间超过1分钟。

[0042] 实施例3

[0043] (Fe40Co50Ni10)0.94(VNbTaZrC2)0.06，其中，微合金元素化学计量比为1:1:1:1:2，其总量占合金的6at.％，即合金中V、Nb、Ta、Zr的含量分别为1at.％，C含量为2at.％。

[0044] 制备方法包括以下步骤：

[0045] 采用真空电弧熔炼的方法，取Fe、Co、Ni、VC、NbC、Ta、Zr颗粒混合放入坩埚，在氩气气氛中进行熔炼；

[0046] 为了增加化学均匀性，待合金冷却后再次电弧熔炼，所述重熔炼的次数为5次；并在坩埚内进行磁搅拌，时间超过1分钟。

[0047] 对实施例1‑3所制备的合金进行拉伸性能检测，结果如下：

[0048]  拉伸屈服强度(MPa) 拉断强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 691.5±52.4 1104±59.7 2.225±0.5
实施例2 712±42.6 1153.33±24.7 2.3±0.49
实施例3 787±54 1176.5±40.5 4±0.4

[0049] 对实施例3所制备的合金进行压缩性能检测，结果为：屈服强度达1373MPa，同时具有超过60％压缩应变。

[0050] 其中，拉伸样品测试条件：室温拉伸试验采用片状狗骨头试样，试验用试验机为INSTRON 5982/100KN，拉伸应变速率为0.001/s。压缩样品测试条件：采用直径6mm压缩样
品，压缩试验机Instron 3369，应变率0.005/s，每种合金至少在相同条件下测试三个。

[0051] 本申请制备的合金材料，(Fe40Co50Ni10)94‑(VnbTaZrC2)6压缩屈服强度达1373MPa，同时具有超过60％压缩应变；拉伸屈服强度达841MPa，断裂强度1217MPa，同时具有4.4％断
后伸长率。

[0052] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。