多尺度异构陶瓷相增强高熵合金及其制备方法

本发明属于合金材料，具体地而言为一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金(high entropy alloys,heas)是一类具有优异性能的新型材料，以其优异的力学性能、耐腐蚀性能、优异的热稳定性等特点受到科学界广泛关注。高熵合金具有五种及五种以上元素，每种元素的原子分数在5％到35％之间。传统的高熵合金概念最初是针对简单的晶体结构提出的，例如面心立方(fcc)、体心立方(bcc)。单一面心立方高熵合金具有较高塑性而强度较低，体心立方高熵合金强度高塑性差，因此，解决合金强度-塑性平衡问题一直是多年来的同样面临的挑战。近年来解决合金强度-塑性平衡的方法层出不穷，例如改变合金的相结构、添加非基体合金元素增强、引入热处理或变形加工手段(轧制，锻造)等对合金进行改性处理。尤其是这些手段在提高面心合金强度的同时，大幅度降低了塑性应变能力。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，本发明另一方面还提供一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金的制备方法，解决高熵合金强度-塑性不平衡问题，尤其是针对单一面心立方相高熵合金高塑性低强度的不平衡问题。

2、本发明是这样实现的，

3、一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，高熵合金的化学式表示为alcocrfeni/tic。

4、进一步地，所述高熵合金基体为alcocrfeni，增强相为微米级陶瓷相tic和纳米级陶瓷相tic，所述alcocrfeni基体为具有单相面心立方结构，陶瓷相tic同样具有面心立方结构，alcocrfeni基体合金晶格常数陶瓷相tic晶格参数为

5、进一步地，各元素按原子百分比为：al～6.0％-6.5％、co～15％-16％、cr～15％-16％、fe～31-32％，ni～31％-32％。

6、进一步地，所述陶瓷相tic为添加增强相，包括微米级tic和纳米级tic，颗粒尺寸分别为：微米级tic尺寸5-10μm，纳米级tic尺寸为50-100nm。

7、进一步地，微米级tic和纳米级tic的含量按质量百分比分别为微米级tic～2％-3％和纳米级tic～0.1-0.3％。

8、一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9、(1)采用纯度为99.9％的al、co、cr金属块体，纯度为99.9％的fe、ni粉体作为合金原料，按预定原子百分数进行称量配比，al～6.0％-6.5％、co～15％-16％、cr～15％-16％、fe～31-32％，ni～31％-32％；

10、(2)微米级tic和纳米级tic作为外加陶瓷相，按质量百分比配比，微米级tic粉末与ni粉球磨机混合形成微米级tic-ni混合块体，机械球磨过程中，sio2磨球与微米级tic-ni混合粉料的质量比为10：1，机械冷压10分钟获得预制块体；

11、(3)、纳米级tic粉末与fe粉球磨机混合形成纳米级tic-fe混合块体，机械球磨混合过程中，sio2磨球与纳米级tic-fe混合粉体的质量比为10：1，混合粉机械冷压成块，保压时间为10分钟；

12、(4)熔炼合金之前首先熔炼80g纯度为99.9％的锆锭，用于除去电弧熔炼炉中剩余的氧气；

13、(5)在真空熔炼炉的铜坩埚中对合金原料摆放时，将纳米级tic-fe混合块放置在最底部，然后按照熔点由低到高的顺序依次放入粒状金属铝，再上层为块状金属钴和颗粒状的金属铬，最后微米级tic-ni混合块放置在最上端；

14、(6)通过真空电弧炉进行反复熔炼，熔炼时炉内气压＜0.05mpa，并采用氩气作为保护气体熔炼，熔炼温度2000℃～2200℃，反复熔炼五次，每次熔炼时间3～5min，每两次熔炼时间间隔＞5分钟；

15、(7)熔炼过程中采用电磁搅拌手段使合金成分均匀，电磁搅拌位置在铜坩埚底部，电磁搅拌时间为熔炼开始后的3分钟，搅拌时长为30～60s，搅拌结束后随炉冷却后得到铸锭形态的高熵合金材料。

16、进一步地：铸锭形态的高熵合金材料的微观组织具有树枝晶结构，微米级tic分布在合金枝晶间，形成网状界面结构；纳米级tic分散在合金的枝晶内部。

17、进一步地：微米级tic和纳米级tic的含量按质量百分比分别为微米级tic～2％-3％和纳米级tic～0.1-0.3％。

18、本发明与现有技术相比，有益效果在于：

19、本发明根据传统合金引入陶瓷相增强的手段，基于固溶强化晶界强化、第二相弥散强化、变形强化、位错强化等强化机理，在面心立方合金高塑性的基础上提高合金强度，同时保持合金较高的延展性。提出了以高强度、高硬度陶瓷相增强面心立方高熵合金，通过引入不同颗粒尺寸的陶瓷增强相，将陶瓷相增强合金与纳米相增加合金塑性变形能力相互结合，选取与基体合金具有相同面心立方结构的tic纳米相作为诱发位错形核的位点，增加合金塑性应变能力；选取大尺寸微米级tic颗粒阻碍位错运动，提高合金抗拉强度，获得了具有异构结构的合金组织，得到了高强度、高塑性的高熵合金。

20、本发明还具有以下的有益效果：

21、(1)单一面心立方(fcc)相alcocrfeni高熵合金是具有优异塑性变形能力的合金基体，其塑性应变值达到90％以上。陶瓷相tic具有高强度、高硬度，且具有面心立方结构，纳米相tic与基体合金存在半共格或非共格界面。

22、(2)加入微米级tic后，合金形成枝晶结构，晶粒尺寸明显细化，平均晶粒尺寸小于30μm。

23、(3)加入微米级tic后，在枝晶间作为第二相阻碍位错运动，增加合金位错强化效果，提高合金强度。

24、(4)alcocrfeni/tic合金具有较高的抗拉强度。

25、(5)加入纳米级tic后，合金塑性得到改善，合金可动位错数量增加，合金保持较高塑性。

26、(6)加入纳米级tic后，高熵合金强度和塑性得到同时提高。

技术特征：

1.一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，其特征在于，高熵合金的化学式表示为alcocrfeni/tic。

2.根据权利要求1所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，其特征在于，所述高熵合金基体为alcocrfeni，增强相为微米级陶瓷相tic和纳米级陶瓷相tic，所述alcocrfeni基体为具有单相面心立方结构，陶瓷相tic同样具有面心立方结构，alcocrfeni基体合金晶格常数陶瓷相tic晶格参数为

3.根据权利要求1或2所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，其特征在于，各元素按原子百分比为：al～6.0％-6.5％、co～15％-16％、cr～15％-16％、fe～31-32％，ni～31％-32％。

4.根据权利要求1所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，其特征在于，所述陶瓷相tic为添加增强相，包括微米级tic和纳米级tic，颗粒尺寸分别为：微米级tic尺寸5-10μm，纳米级tic尺寸为50-100nm。

5.根据权利要求4所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金，其特征在于，微米级tic和纳米级tic的含量按质量百分比分别为微米级tic～2％-3％和纳米级tic～0.1-0.3％。

6.一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金的制备方法，其特征在于：铸锭形态的高熵合金材料的微观组织具有树枝晶结构，微米级tic分布在合金枝晶间，形成网状界面结构；纳米级tic分散在合金的枝晶内部。

8.根据权利要求6所述的一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金的制备方法，其特征在于：微米级tic和纳米级tic的含量按质量百分比分别为微米级tic～2％-3％和纳米级tic～0.1-0.3％。

技术总结本发明公开了一种多尺度异构陶瓷相增强高熵合金及其制备方法，解决高熵合金强度‑塑性平衡问题。高熵合金为具有面心立方AlCoCrFeNi‑TiC(μm)‑TiC(nm)。采用真空电弧炉制备高熵合金块状铸锭。合金化学成分按原子百分比Al～6.0％‑6.5％、Co～15％‑16％、Cr～15％‑16％、Fe～31‑32％，Ni～31％‑32％。加入的陶瓷增强相含量按质量百分比分别为微米级TiC～2％‑2.5％和纳米TiC‑0.1～0.3％。放入真空电弧炉中反复熔炼五次，以保证化学成分的均匀性。最终获得一种成分组成为AlCoCrFeNi‑TiC(μm)‑TiC(nm)的高熵合金，该合金中的微米级TiC陶瓷相分布在合金的枝晶间，阻碍位错运动、提高合金强度；纳米级陶瓷TiC作为位错开动的源头，增加了可动位错数量，提高了合金塑性应变能力。技术研发人员：李广龙,齐浩,柳成昊,张伟,董书琳,张斯若,田畅,曲迎东受保护的技术使用者：沈阳工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29