元素微合金化增强TRIP效应开发高强塑匹配高熵合金的方法

本发明涉及金属材料领域，特别是指一种元素微合金化增强trip效应开发高强塑匹配高熵合金的方法。

背景技术：

1、随着我国经济和社会的发展，对于高强、高韧的先进金属材料提出了更迫切的需求；同时，由于我国科技的进步，很多领域的发展要逐渐的走到世界前列，不能再模仿国外或者照搬现有的材料，需要根据性能需要开发新型高性能材料。因而对材料科学提出了更高的挑战，如何充分利用现有的材料强韧化机制，开发出更强、更韧、更耐极端服役条件的高性能金属材料，是材料学科发展的永恒目标。

2、高熵合金是最近发展起来的一类新型金属材料，能够在宽温域及多种极端条件下表现出优异的力学性能，有望成为新一代的高性能结构材料。尤其bcc结构的高熵合金具有高的室温强度、硬度、耐磨性和优异的高温力学性能，但通常表现为室温脆性，加工性能较差，严重限制了其实际应用前景。在传统材 料，譬如钢铁和陶瓷材料中，trip（transformation-induced plasticity，相变诱导塑性）效应已经被证明可以显著的提高材料的韧塑性。该方法也被德国马普钢铁所、中南大学等单位用于开发具有良好强塑性匹配的高熵合金。譬如，在 fcc 结构的fe50mn30co10cr10合金中提高奥氏体形成元素 mn 的含量，由原来单相的 fcc相结构演变为双相结构，亚稳的fcc 相可在变形中发生形变诱导相变，产生 trip效应，同时提高了该体系合金的强度和塑性。类似现象也出现在bcc结构的高熵合金中，通过改变tizrhfta系合金中的ta 的含量改变 bcc 高熵相的稳定性，使其在受到外力时能够发生形变诱导相变，可以显著提高合金的塑性和加工硬化能力。与此同时，研究人员为了促进trip效应，会引入合金化元素，如用ni替换fe-mn-co-cr中的mn，v或nb取代tizrhfta系中的ta，甚至进一步加入al和sn等元素，开发具有trip效应的高熵合金。

3、但是，需要指出的是，上述方法虽通过调控合金含量促进了trip效应改善塑性，也以牺牲合金的强度为代价；引入其他合金化元素，如fe-mn-co-cr引入ni，ti-zr-hf-ta系引入nb、v、sn、al等都改变了合金的相组成和其他物理和力学性质。因此，如何能够在不明显改变合金成分的基础上促进trip效应，实现既保证合金的高强度也显著提升合金的塑性，对于开发具有优异强塑性匹配的高熵合金具有重要意义，也有助于推动高熵合金的应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种元素微合金化增强trip效应开发高强塑匹配高熵合金的方法，以解决强塑性倒置的难题，开发具有优异强塑性匹配的高熵合金。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种元素微合金化增强trip效应制备高强塑高熵合金的方法，该方法包括如下步骤：

4、步骤1，选择存在相变诱导塑性-trip（transformation-induced plasticity）效应的高熵合金体系。

5、步骤2，根据高熵合金成分的差异，选择不同的微合金化元素，包括si、c、n、p等。

6、步骤3，按照合金成分配比，称量对应重量的纯元素或中间合金，并进行酒精清洗和烘干处理。

7、步骤4，采用真空电弧熔炼等方法炼制元素微合金化的高熵合金母合金锭。

8、步骤5，采用真空铜模吸铸等方法制备元素微合金化的高熵合金铸锭。

9、步骤6，采用线切割等方法加工元素微合金化的高熵合金室温拉伸试样。

10、步骤7，采用通用的材料力学性能试验机进行室温拉伸实验，得到元素微合金化后的新高熵合金的强度、延伸率等信息。

11、步骤8，相较于没有元素微合金化的样品，微合金化增强了trip效应，在不明显改变合金成分的基础上保持同等强度，且合金的断后伸长率明显提升，开发出高强塑匹配高熵合金。

12、进一步地，步骤（1）中所述的高熵合金是指自身具备trip效应的合金系，包括但不限于已有文献中报道的基于3d过渡族金属fe-mn-co-cr或难熔金属ti-zr-hf-ta等构成的高熵合金系。

13、进一步地，所述3d过渡族金属fe-mn-co-cr的主要成分范围为35%≤fe≤50%，15%≤mn≤35%，10%≤co≤25%，10%≤cr≤25%。所述难熔金属ti-zr-hf-ta的主要成分范围（原子百分比）为28%≤ti≤50%，20%≤zr≤35%，15%≤hf≤30%，5%≤ta≤20%。

14、进一步地，步骤（2-3）中所述的微合金化元素与高熵合金中现有成分中所有元素均有强结合力，元素包括但不限于si、c、n、p等。微合金化元素与现有合金元素的混合焓均不大于-30 kj/mol，且添加的原子比含量不超过0.5%，以保证微合金化元素以固溶的形式存在于基体中，在熔炼过程中不会出现相分离，也不会形成硅化物、碳化物、金属间化合物等脆性相。

15、进一步地，步骤（4-5）中所述的元素微合金化的高熵合金母合金锭和最终铸锭的制备方法是指常规的用于制备合金铸锭如感应熔炼+浇铸、粉末冶金等方法，包括但不限于真空感应熔炼+铜模吸铸等方法。

16、进一步地，步骤（6-7）中所述的元素微合金化的高熵合金室温拉伸试样的加工方法及拉伸试验方法是指常规的用于试样加工的线切割等方法以及通用的力学性能测试设备。

17、本发明提供了一种元素微合金化增强trip效应开发高强塑匹配高熵合金方法，通过引入微合金化元素，促进了变形过程中trip效应，在不牺牲基础合金强度的基础上，显著提升了合金的塑性，开发高强塑匹配高熵合金。本发明的关键技术问题是引入一种与高熵合金现有成分中所有元素均有强结合力的微合金化元素，其与现有合金元素的混合焓均不大于-30 kj/mol，且添加的原子比含量不超过0.5%，在制备过程中不会改变基础高熵合金的相组成、也不形成析出相，以固溶的形式存在于基体中。

18、其发明设计原理如下：

19、为了获得优异强韧化匹配的高熵合金，单纯以位错模式的韧塑化效果有限，因此可以在高熵合金引入trip效应，即当母合金发生塑性变形时，逐渐产生应变强化，诱发马氏体形核，发生马氏体相变，促使局部强度提高，阻碍塑性变形的进一步发生，变形继而向周围组织转移，颈缩现象被延迟。 为了促进trip效应，在高熵合金中通常需要降低母相的稳定性，生成可以发生“形变诱导相变”的亚稳母相，即通过调控合金主组元的含量比，使得变形过程中更容易发生马氏体相变。但是，随着某个主元含量降低，虽然trip效应得到增强，塑性得到提升，却也牺牲了初始合金的高强度。传统的非扩散型马氏体相变通常为形核控制，如果可以改变马氏体相变所需的晶格应变，即可进一步影响相变的形核和长大特点以及影响马氏体板条的快速生成。

20、基于上述理论，本发明的总思路是在基础合金中引入适量微合金化元素，该元素与高熵合金现有成分中所有元素均有强结合力，在制备过程中不会改变基础高熵合金的相组成、也不形成析出相，以固溶的形式存在于基体中，形成局域的有序团簇，增大晶格应变，进而改变变形过程中马氏体的形核过程，促进马氏体相变，在不显著改变基础合金成分，也不牺牲基础合金强度的前提下，提升合金的塑性，获得具有更优强塑匹配的高熵合金。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

22、1、为了引入trip效应，常规方法都会显著改变原始合金的成分，包括大幅改变合金中某个组元的含量降低母相的稳定性或引入其他合金化元素如sn、v、ni、nb等，从而生成可以发生“形变诱导相变”的亚稳母相的方式，本发明采用元素微合金化的方法没有明显改变合金的成分，即可实现塑性的大幅提升。

23、2、元素微合金化的方法既不会显著改变原始合金的成分、牺牲基础合金高强度为代价促进trip效应，也不同于元素合金化需要引入额外强化机制如twip、析出强化等提高强塑性，在保证了基础合金高强度的同时实现了塑性提升。

24、3、微合金化元素主要是si、c、n、p等轻质元素，且添加量也很低，能够适当降低密度的同时不提高合金的成本。

25、4、该方法适用性广，通过微合金化元素的设计，可以满足所有具有trip效应的高熵合金系，如基于3d过渡族金属的fe-mn-co-cr或基于难熔金属的ti-zr-hf-ta等。

26、5、该方法获得的优异强塑匹配的高熵合金，对于材料的成型设备等没有特殊要求，常规的各类材料制备方法均可实现。