兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金及其制备方法

本发明涉及金属基复合材料，具体地，涉及一种兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，核反应堆、航空航天、空间武器等领域正发生着日新月异的变化，对材料的熔点和高温性能提出了更高的要求。目前被广泛应用的镍基高温合金的服役温度已接近其熔点，难以满足进一步的发展要求。难熔高熵合金是一种非常具有潜力的候选材料。

2、难熔高熵合金是高熵合金的一种，主要由难熔元素组成，在具有广袤设计空间的同时，还具备熔点高、热稳定性高、高温强度高、抗软化能力好等特点，有望成为下一代高温结构材料。然而，难熔高熵合金也继承了难熔合金韧脆转变温度高的特点，在具备优异高温表现的同时，缺乏足够的室温变形能力，加工能力差，限制了其实际应用。

3、为了获得兼备优良塑性和强度的难熔高熵合金，提升其可用性，需要对其进行合理的成分设计。单相难熔高熵合金的强塑性矛盾来源于其本征的高晶格摩擦力，难以通过简单的成分调整解决。而引入第二相的方式，在提升强度的同时又通常伴随着塑性的大幅降低。例如，徐琴等在nbmotiv难熔高熵合金中引入硅化物，使得高温压缩强度由325mpa提升至445mpa，但室温塑性下降到仅11％左右(专利申请号：201910899117.0)。通过形成共晶组织的方式引入第二相可以获得高体积分数第二相、结合良好的界面以及优异的铸造性能，是一种有效的手段。梁秀兵等在wtamonb难熔高熵合金中引入碳化物，使得高温压缩强度由约400mpa提升至585mpa，塑性相较于基体得到了提升，但塑性仅有5％左右(专利申请号：202010163327.6)，基体的低变形能力限制了其整体的性能。

4、申请公开号为cn116891969a的中国发明专利，公开一种原位生成碳化物增强nb-mo-ta-w-m-c高温共晶高熵合金及其制备方法，该高温共晶高熵合金的表达式为nbamobtacwdmecf，m为ti、re中的一种或不含，其中，17<a≤27，16<b≤26，17≤c≤35，15≤d≤35，0≤e≤25，10≤f≤20，该合金为典型的伴生层片状共晶组织，由bcc结构的高熵合金固溶体相与原位生成的具有hcp或者fcc结构的碳化物相组成，合金结合了高温合金和共晶高熵合金的优势，由于大量原位生成的碳化物相和共晶组织的共同作用，合金在具有较高的高温力学性能的同时具有优异的铸造性能。但是该专利中合金室温最大变形量仅为2.5％，在塑性及综合力学性能方面仍有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金及其制备方法。

2、根据本发明的一个方面，提供一种兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金，所述难熔高熵合金的表达式为wanbbtactidcx，x与a、b、c、d均大于0，且x与a、b、c、d的比值均大于等于0.5且小于等于1。

3、进一步地，a＝b＝c＝d＝1，x大于等于0.5且小于等于1。

4、进一步地，x为0.6、0.7和0.8中的任一个数值。

5、根据本发明的另一方面，提供一种上述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，所述方法包括：

6、按照上述的难熔高熵合金，将表达式中原子百分比换算成质量百分比，按照所述质量百分比称取各金属原料和碳原料；

7、将所述金属原料和所述碳原料堆放在非自耗真空电弧炉的水冷铜坩埚中，对所述非自耗真空电弧炉抽真空后通入惰性气体；

8、采用真空电弧熔炼工艺对所有原料进行熔炼处理，得到难熔高熵合金铸锭。

9、可选地，按照所述质量百分比称取各金属原料和碳原料，其中：

10、w、ta、nb、ti对应的金属原料均为单质金属；

11、碳原料为c元素与w、ta、nb和ti中的任一种形成的碳化物。

12、可选地，所述单质金属和所述碳原料均呈颗粒状。

13、可选地，将所述金属原料和所述碳原料堆放在非自耗真空电弧炉的水冷铜坩埚中，其中：所述碳原料放置于水冷铜坩埚最底部，所述金属原料按照熔点由低到高依次从下至上顺次堆放于所述碳原料上方。

14、可选地，对所述非自耗真空电弧炉抽真空后通入惰性气体，其中：所述非自耗真空电弧炉内真空度达到5×10-3pa后通入惰性气体。

15、可选地，对所述非自耗真空电弧炉抽真空后通入惰性气体，其中：所述惰性气体为氩气。

16、可选地，采用真空电弧熔炼工艺对所有原料进行熔炼处理，包括：引弧后电流升至400～450a，待材料完全熔化为液态后保持电流不变熔炼至少3min。

17、与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

18、1、本发明综合难熔高熵合金、共晶合金和复合材料的设计理念，在难熔高熵合金中引入c元素，形成基体与碳化物组成的共晶组织，由体心立方结构的固溶体基体相和面心立方结构的碳化物相构成，二者之间具有独特的锯齿界面结构，合金兼具优异的塑性和强度，室温压缩屈服强度最高为2210mpa，压缩断裂应变最高为14.1％，1200℃压缩强度最高达739mpa。本发明提供的难熔高熵合金，其综合性能领先现有难熔高熵合金。

19、2、本发明提供的难熔高熵合金通过真空电弧熔炼法制备，具有工艺简单、原料反应完全、杂质含量极低等优点。

技术特征：

1.一种兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金，其特征在于，所述难熔高熵合金的表达式为wanbbtactidcx，x与a、b、c、d均大于0，且x与a、b、c、d的比值均大于等于0.5且小于等于1。

2.根据权利要求1所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金，其特征在于，a＝b＝c＝d＝1，x大于等于0.5且小于等于1。

3.根据权利要求2所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金，其特征在于，x为0.6、0.7和0.8中的任一个数值。

4.一种权利要求1-3任一项所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，按照所述质量百分比称取各金属原料和碳原料，其中：

6.根据权利要求5所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述单质金属和所述碳化物均呈颗粒状。

7.根据权利要求4所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，将所述金属原料和所述碳原料堆放在非自耗真空电弧炉的水冷铜坩埚中，其中：所述碳原料放置于水冷铜坩埚最底部，所述金属原料按照熔点由低到高依次从下至上顺次堆放于所述碳原料上方。

8.根据权利要求4所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，对所述非自耗真空电弧炉抽真空后通入惰性气体，其中：所述非自耗真空电弧炉内真空度达到5×10-3pa后通入惰性气体。

9.根据权利要求4所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，对所述非自耗真空电弧炉抽真空后通入惰性气体，其中：所述惰性气体为氩气。

10.根据权利要求4所述的兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，所述采用真空电弧熔炼工艺对所有原料进行熔炼处理，包括：引弧后电流升至400～450a，待材料完全熔化为液态后保持电流不变熔炼至少3min。

技术总结本发明提供一种兼具优异强度和塑性的难熔高熵合金及其制备方法，所述难熔高熵合金的表达式为W<subgt;a</subgt;Nb<subgt;b</subgt;Ta<subgt;c</subgt;Ti<subgt;d</subgt;C<subgt;x</subgt;，x与a、b、c、d均大于0，且x与a、b、c、d的比值均大于等于0.5且小于等于1。本发明的难熔高熵合金由体心立方结构的固溶体基体相和面心立方结构的碳化物相构成，二者之间具有独特的锯齿界面结构，合金兼具优异的塑性和强度，本发明的难熔高熵合金通过真空电弧熔炼法制备，具有工艺简单、原料反应完全、杂质含量极低等优点。技术研发人员：祝国梁,田雨生,孙宝德,王瑞,孔德成,谭庆彪受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29