一种高性能奥氏体高熵合金材料及其制备方法

本发明涉及一种高熵合金材料及制备方法，特别是涉及一种高性能奥氏体高熵合金材料及制备方法，应用于飞机和航空系统等先进工程材料。

背景技术：

1、高熵合金由于其特殊的结构和综合力学性能，例如高强、高塑、高硬、耐磨、抗氧化，以及低温下极高的断裂韧性等，具有很高的学术研究和应用价值。2004年，中国台湾学者yeh等首次提出了一种新的合金设计理念，将高熵合金的定义归纳为含有5种或5种以上元素，而且每种元素的原子百分比不小于5％的合金。随着研究深入，研究者也不再拘泥于高熵合金的定义，只要具备高熵合金的特性就可以称为高熵合金。高熵合金概念的提出，不仅拓展了合金的设计空间，而且其在综合性能方面也给科研工作者们提供了巨大的探索空间。

2、根据现有的热力学和冶金理论，高熵合金各种元素之间的相互作用通常十分复杂，因此在热力学平衡状态下容易存在硬脆的金属间化合物和其他有序相。然而，随着研究的深入，学者们发现，高熵合金在凝固过程中更容易形成简单的固溶体相。合金体系的无序性随着金属元素的增加而增加，元素之间的混合变得更加均匀，合金中容易出现的简单晶相无序排列成体心立方(bcc)或面心立方(fcc)，fcc相结构的高熵合金，具备极好的塑性和韧性，但强度较低；bcc相结构的高熵合金，其强度较高但塑性较差。一般来说，对于塑性较好的合金，可以通过添加其他合金元素塑性变形等方式进一步提高合金的强度，从而有望获得高强塑性材料。nicocr基中高熵合金由于极其优秀的力学性能，特别是在低温领域展现出的极高的延伸率和强度，得到了众多研究者的青睐。尽管如此，针对该合金在常温条件下的研究揭示出其虽具备出色的延展性，但屈服强度及抗拉强度却未能与当前先进的高强钢(advancedhigh strength steels，ahss)相媲美，这在一定程度上制约了nicocr合金在众多潜在应用领域的拓展与技术进步。

3、目前合金的强化方法主要包括：固溶强化、细晶强化、第二相强化和基于twip和trip效应等四种强化方法。nicocr合金的延展性过剩，屈服强度和拉伸强度偏低的强化方式，可以采用多种方法共同作用，提高合金的强度。目前，有众多研究尝试在合金中添加大量的al、ti，并通过时效处理使组织中析出l12相-ni3(alti)，l12有序相和基体相都为fcc结构且两相界面保持共格关系，不仅提升了合金的强韧性，还改善了抗蠕变性能。但是，al+ti含量高的nicocr合金的室温强度较高，然而基体对al和ti的溶解度有限，al、ti含量的提高会诱发基体产生有害脆性相，恶化合金性能，并且其高温力学强度普遍偏低，高温稳定性差，无法应用在航空、航天等可能存在高温环境的领域。为了保证合金在高温下的稳定性，必须保证高熔点mo、w、nb、ta等难熔元素的含量，同时必须要保证合金在高温下的稳定性和抗氧化性能。

4、目前，虽然有论文研究nicoval高熵合金的抗拉强度可以达到1600mpa，但这类合金不具备高温稳定性和抗氧化性，不足以在高温范围内使用。由zr、hf、nb、ta、mo、w等难熔元素进行组合得到的合金在在高温下力学性能优异，但在室温至600℃发生了韧脆转变，性能急速恶化，同时抗氧化性能差。以上材料均不适用于海洋、航空、航天、能源等高科技领域主承力部件的要求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高性能奥氏体高熵合金材料及其制备方法，通过多种热处理工艺析出纳米级b2强化相和纳米级的ni3(al,ti)强化相，采取固溶强化和析出强化两种强化方式，大幅度提高nicocr高熵合金材料综合性能，本发明高性能奥氏体高熵合金材料可以成为海洋、航空、航天、能源等高科技领域主承力部件的潜在材料，例如飞机起落架、机翼大梁、火箭导弹壳体、高精密传动部件等。

2、为达到上述目的，本发明创造采用如下发明构思：

3、在nicocr基奥氏体合金中，采用部分mo、w代替cr元素，增加合金的晶格畸变，提升合金的强度。并增加少量的合适比例的al和ti，经过特定的热处理工艺析出纳米级的ni3(al,ti)强化相，同时，合金中析出了纳米级别的b2强化相，进一步提升合金强度，从而制备出优异综合性能的奥氏体高熵合金材料。根据本发明的研究成果，可以获得高强韧奥氏体高熵材料，解决现有nicocr合金的在室温下延展性过剩，屈服强度和拉伸强度偏低的问题，同时保证了合金在高温下的稳定性和抗氧化性，将材料的应用范围向高温领域方向拓展。

4、根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

5、一种高性能奥氏体高熵合金材料，其成分按照如下原子数百分比组成：

6、co：30.0～45.0％，cr：5.0～10.0％，mo：5.0～10.0％，w：5.0～10.0％，al：2.0～10.0％，ti：1.0～5.0％，其中15.0％≤cr+mo+w≤30.0％，3.0％≤al+ti≤15.0％，其余部分为镍和不可避免的杂质，所述高熵合金材料基体为奥氏体。

7、作为本发明优选的技术方案，所述高性能奥氏体高熵合金材料，其成分按照如下原子数百分比组成：

8、co：35.0～40.0％，cr：5.0～8.0％，mo：5.0～8.0％，w：5.0～8.0％，al：4.0～8.0％，ti：1.0～4.0％，其中15.0％≤cr+mo+w≤24.0％，5.0％≤al+ti≤12.0％，其余部分为镍和不可避免的杂质。

9、作为本发明进一步优选的技术方案，所述高性能奥氏体高熵合金材料，其成分按照如下原子数百分比组成：

10、co：38.2～38.6％，cr：5.0～5.3％，mo：5.0～6.9％，w：5.0～5.9％，al：5.8～6.2％，ti：1.8～2.2％，其中15.6％≤cr+mo+w≤17.1％，8.0％≤al+ti≤8.1％，其余部分为镍和不可避免的杂质。

11、作为本发明优选的技术方案，所述高性能奥氏体高熵合金材料，在nico基奥氏体合金基体中，析出纳米级b2强化相和纳米级ni3(al,ti)强化相。

12、作为本发明优选的技术方案，所述高性能奥氏体高熵合金材料，其室温拉伸断裂强度不低于1300mpa，屈服强度不低于850mpa，断裂延伸率不低于20.0％。

13、一种本发明所述高性能奥氏体高熵合金材料的制备方法，包括如下步骤：

14、a.合金熔炼：

15、采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，原料成分按照如下原子数百分比组成进行原料配料：

16、co：30.0～45.0％，cr：5.0～10.0％，mo：5.0～10.0％，w：5.0～10.0％，al：2.0～10.0％，ti：1.0～5.0％，其中15.0％≤cr+mo+w≤30.0％，3.0％≤al+ti≤15.0％，其余部分为镍和不可避免的杂质；将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；

17、b.合金凝固：

18、将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧、固溶处理和时效热处理工艺，最终制得高性能奥氏体高熵合金棒材或板材。

19、作为本发明优选的技术方案，在所述步骤a中，原料成分按照如下原子数百分比组成进行原料配料：

20、co：35.0～40.0％，cr：5.0～8.0％，mo：5.0～8.0％，w：5.0～8.0％，al：4.0～8.0％，ti：1.0～4.0％，其中15.0％≤cr+mo+w≤24.0％，5.0％≤al+ti≤12.0％，其余部分为镍和不可避免的杂质。

21、作为本发明进一步优选的技术方案，在所述步骤a中，原料成分按照如下原子数百分比组成进行原料配料：

22、co：38.2～38.6％，cr：5.0～5.3％，mo：5.0～6.9％，w：5.0～5.9％，al：5.8～6.2％，ti：1.8～2.2％，其中15.6％≤cr+mo+w≤17.1％，8.0％≤al+ti≤8.1％，其余部分为镍和不可避免的杂质。

23、作为本发明优选的技术方案，在所述步骤a中，采用真空感应熔炼工艺，将准备的原料放入真空感应加热炉中，抽真空至5×10-4pa以下，然后通入高纯度的氩气作为保护气体；然后进行升温加热，按照不低于200℃/min的升温速率，进行升温至不低于1600℃，并保温至少2min，得到合金熔体。

24、作为本发明优选的技术方案，在所述步骤b中，将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型得到的合金铸锭，然后进行热轧、固溶处理和时效热处理工艺，最终制得高性能奥氏体高熵合金；其中，

25、进行热轧加工时，热轧加工温度控制在1150～1200℃，采用多道次、小压下量变形，终轧温度不低于1100℃；反复轧制至少3次，每道次的压下变形量不超过30％；

26、进行固溶处理时，固溶处理温度控制在不低于1100℃，时间控制在1～2h；

27、进行时效热处理时，时效热处理工艺的温度控制在800～850℃，时间控制在7～9h。

28、本发明所述高性能奥氏体高熵合金材料是在nicocr基奥氏体合金中，采用部分mo、w代替cr元素，加入合适比例的ti和al，经过特定的热处理工艺析出纳米级b2强化相和纳米级ni3(al,ti)强化相，采用多种强化方式结合进一步提升合金强度。

29、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

30、1.本发明采用真空感应熔炼工艺，经浇注成型，再经热轧、固溶处理和时效处理等工艺，析出纳米级的b2强化相和纳米级的ni3(al,ti)强化相，制得一种具有优异综合性能的高性能高熵合金材料板材；本发明制得的高熵合金材料具有强度高、热加工成型性优良、综合性能好等优点；

31、2.本发明具有优异综合性能的高性能奥氏体高熵合金材料在其成分范围内的合金材料经热轧、固溶处理和时效处理后，其室温拉伸断裂强度为1300～1400mpa，屈服强度为850～950mpa，断裂延伸率不低于20.0％，并且在高温下具备良好的稳定性和抗氧化性；

32、3.本发明采用高钴含量，对al和ti含量比适当降低，使高熵合金cr、mo、w总含量占比和al、ti总含量占比维持合理的成分配比平衡关系；本发明高性能奥氏体合金综合性能优异，可以成为海洋、航空、航天、能源等高科技领域主承力部件的潜在材料；

33、4.本发明高性能奥氏体高熵合金材料生产工艺简单，易加工，易于推广应用。