一种两级网状结构高熵合金的制备方法

本发明涉及金属材料，尤其涉及一种两级网状结构高熵合金的制备方法。

背景技术：

1、高熵合金是近年来金属材料研究领域的热点之一，它通常由多种元素以等原子比或近等原子比组成，开发空间大，可设计性强。现已发现高熵合金具有高强度、高硬度、良好耐磨性和耐腐蚀性、优异的低温性能、抗辐照、抗高温软化等优异性能。

2、高熵合金是含有五种以上元素的新型金属材料，表现出高强度、高硬度、耐腐蚀、耐辐照、优异的高温和低温力学性能等优势，是当前材料领域的研究热点之一。常见的高熵合金主要由面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构，前两类研究较多。其中，面心立方型高熵合金塑性好、强度低，体心立方型高熵合金强度高、塑性差。近20年的科学研究已经证实，尽管多主元高熵合金原子排列化学无序，但是晶体结构清晰，经典位错理论依然适用，即固溶强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、相变机制等方案也可用来调控高熵合金的微观组织和力学性能。其中，含面心立方相和体心立方相的双相组织高熵合金可具有较好的综合力学性能，这是因为变形过程中可以通过面心立方相塑性变形实现应力再分配，减缓局部应力集中。该方法适用于铸造工艺，它是制备大尺寸金属结构材料的主流方法之一。

3、然而，合金凝固过程不可避免会发生不同程度的成分偏析，严重影响铸态合金的微观组织均匀性和综合力学性能。共晶高熵合金的设计思路较好的解决了成分偏析问题，通过双相耦合生长获得层状共晶均匀组织，变形时面心立方相区域通过塑性变形调控局部应力分布，减缓材料失稳破坏。由于所含每种组元含量均较高，高熵合金凝固过程存在严重的组元互扩散行为，即动力学上的迟滞扩散机制。因此，借助热处理过程固态相变也可以实现铸态合金微观组织和力学性能的再调配。

4、因为高熵合金由五种及以上元素组成，具有极强的可设计性。作为一种发展潜力极大的新型金属结构材料，各行各业的科研人员都致力于研发高强度高塑性高熵合金及其大型化低成本短流程制备技术。

5、在业已公开的现有专利文献中，例如，发明专利申请号cn202110233905.3公开了一种alcocrfeni系双相组织高熵合金制备方法，提出利用无序bcc相高温分解为fcc相和b2相，可以将以体心立方相为主的高熵合金转变为面心立方和体心立方双相组织，显著提升体心立方基高熵合金的塑性，热处理态高熵合金的延伸率最高可由1.3％提升至8.5％。

6、又例如，发明专利申请号cn202110401899.8公开了一种高强韧性高熵合金制备方法，涉及合金材料生产技术领域；具体步骤是：配置原子百分比27～30％的mn，8～12％的co，8～12％的cr和0.4～1.3％的c，其余为fe的高熵合金粉末；对高熵合金粉末进行球磨处理，之后预压，压力为300～500mpa，保压200～300s，得到高熵合金的预压块；将预压块真空退火后真空热压烧结再进行冷轧变形；将冷轧变形后的高熵合金薄板在400～550℃进行约束碳分配处理，使游离的碳元素进行扩散；本发明制备出含c的非等原子femncocrc高熵合金具有优异的强度和塑性结合，同时改善了传统工艺制备出的高熵合金成分不均匀，组织不稳定的问题。

7、再例如，发明专利申请号cn202311089931.9公开了发明名称为一种网状包覆的cocrfeniti高熵合金制备方法，属于粉末冶金领域。本发明所述高熵合金材料由co、cr、fe、ni、ti五种金属粉末组成，各种组分原子百分比为1:1:1:1:1。制备方法为高熵合金粉末的机械合金化、高熵合金粉末的烧结成型，高熵合金的激光重熔。本发明将放电等离子烧结和激光重熔结合，用此方法制备的cocrfeniti高熵合金具有常规合金所达不到的机械性能，更加高的硬度，高抗压强度，更加耐磨，更加耐腐蚀，使材料本体寿命在一定情况下得到提升，具有广泛的应用前景。

8、以上现有技术均不能够制备高强度、高塑性、低成本的高熵合金，尤其是不能获得两级网状结构高熵合金。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种两级网状结构高熵合金的制备方法，通过热处理工艺，利用铸态合金两类物相的协同相变来调控合金微观组织，提升合金的综合力学性能，仅需控制合金初始成分，采用铸造和简单热处理工艺即可获得性能优异的两级网状结构高熵合金，避免传统机加工等组织调控工艺，节省大型设备和加工成本的投入，适用于制备大尺寸铸锭，且热处理过程不需要气氛保护，极具实际应用潜力。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种两级网状结构高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1，选用纯度为99.99％的金属铝、钴、铬、铁、镍高纯金属作为原材料，按照重量百分比配置，铝：8.84～9.38wt％，钴：19.30～20.49wt％，铬：cr：17.03～18.08wt％，铁：18.29％～19.41wt％，镍：32.64～36.54％wt％，置于真空电弧熔炼设备铜坩埚内。依次采用机械泵和分子泵将电弧熔炼炉抽真空至3×10-3pa，充入高纯氩气至3×103pa，重复5次以充分排除炉腔内的氧气；

4、步骤2，采用真空电弧熔炼工艺熔炼高纯金属，制备高熵合金铸锭，在熔炼高纯金属过程中，借助机械臂将铸锭翻转后再次熔炼，重复操作5次以使合金成分均匀，电流控制在150a～300a，其中，第1次熔炼时，电流控制在150a缓慢熔化高纯金属，第2～5次熔炼时，电流控制在250a；

5、步骤3，采用砂纸除去高熵合金铸锭表面的氧化层，并用无水乙醇超声清洗高熵合金铸锭表面，采用烘干机烘干温度70℃烘干高熵合金铸锭；

6、步骤4，将表面处理后的高熵合金铸锭置于真空电弧熔炼炉内的浇铸模具上，依次采用机械泵和分子泵将电弧熔炼炉抽真空至3×10-3pa，充入高纯氩气至3×103pa，重复5次操作以充分排除炉腔内的氧气；

7、步骤5，采用真空电弧熔炼工艺熔化高熵合金铸锭，电流为300a，熔融的铸锭自发流入铜模内，获得高熵合金铸棒；

8、步骤6，将由氧化镁为92wt％、三氧化二铬为6wt％和石墨粉为2wt％组成的涂层粉体与聚丙烯酸钠按照质量比4：1混合，加水调制成料浆，涂覆在高熵合金铸棒表面，100℃烘干；

9、步骤7，将带涂层的高熵合金铸棒放入马弗炉内进行热处理，在1000℃～1200℃进行保温热处理1～3小时，空冷，即得两级网状结构高熵合金。

10、进一步的，步骤1中，选用纯度为99.99％的高纯金属，作为原材料按照重量百分比配置:铝：8.84wt％，钴：19.30wt％，铬：17.03wt％，铁：18.29wt％，镍：36.53wt％。

11、进一步的，步骤7中热处理时间为2小时。

12、进一步的，步骤7中热处理时间为1小时。

13、进一步的，步骤7中的热处理温度为1000℃，热处理时间为2小时。

14、进一步的，步骤7中的热处理温度为1100℃，热处理时间为1小时。

15、进一步的，步骤7中的热处理温度为1200℃，热处理时间为1小时。

16、进一步的，步骤7中的热处理温度为1000℃，热处理时间为3小时。

17、进一步的，步骤7中的热处理温度为1200℃，热处理时间为3小时。

18、进一步的，步骤2中，第1次熔炼时，电流控制在150a～180a缓慢熔化高纯金属，第2～5次熔炼时，电流控制在250～300a。

19、本发明与本技术领域现有技术相比较具有以下优越的技术效果：

20、本发明所述两级网状结构高熵合金的制备方法，利用高温热处理过程铸态合金两类亚稳相的协同相变来调控合金微观组织，具有优异的综合力学性能。

21、本发明所述两级网状结构高熵合金的制备方法，无需复杂的机械加工等组织性能调控工艺，仅需对铸态合金进行简单的热处理，即能够获得高强度高塑性的综合力学性能，非常适用于金属结构材料大型化制备工艺，具有广泛的实际应用潜力。

22、本发明所述两级网状结构高熵合金的制备方法，工艺流程简洁实用、绿色环保、制备成本低廉，具有广泛的推广应用价值。