[发明专利]一种双相中熵合金的设计与制备方法

说明书

本发明公开了一种双相中熵合金及其制备方法。中熵合金的成分为(CoCrNi)_x(AlTiNb)_100‑x，制备工艺路线：真空熔炼FCC单相CoCrNi母合金‑真空熔炼BCC单相AlTiNb中间合金‑母合金和中间合金重熔‑吸铸‑均匀化退火‑时效处理‑固溶处理。选择纯度为99％以上的Co、Cr、Ni、Al、Nb、Ti按配比称量，在真空熔炼炉中进行多次熔炼，待成分均匀后，吸铸成型，待冷却后，对铸棒进行均匀化退火，然后依次通过固溶处理及时效处理，最终获得双相中熵合金,该中熵合金以FCC结构为基体，基体上均匀分布着呈碟状或球状的BCC相，构成FCC+BCC双相中熵合金。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种双相中熵合金的设计与制备方法。

背景技术

熵是表示体系混乱程度的物理量，它的大小能够影响体系的热力学稳定性。根据Boltzmann假设，N种元素以等摩尔比形成固溶体时，形成的混合熵ΔS_mix可以通过以下公式表示。

式中：R为普适气体常数；Ci为组元i的原子百分比含量

研究表明当混合熵低于1R时，熵的对体系的影响远远低于键合能。同时合金的混合熵为1.5R是高温时抵抗原子间强键合力的必要条件。据此将合金材料分为三类：

(1)以一种或两种元素为主要组成元素的低熵合金，即传统合金(ΔS_mix1R)；

(2)包含两种到四种主要元素的中熵合金(1R≤S_mix≤1.5R)；

(3)包含至少五种主要组成元素的高熵合金(S_mix≥1.5R)。

因高熵合金在性能方面表现出不同于传统合金的优异性。如耐热性、抗氧化性，耐腐蚀性等，引起了世界各国研究者的关注，目前已有大量的高熵合金被开发，其中美国橡树岭国家实验室和伯克利劳伦斯国家实验室合作开发的CoCrFeNiMn五元高熵合金^[1]，其塑性随温度的降低呈现升高的趋势，在77k液氮温度下，合金屈服强度达到700MPa，抗拉强度达到1000MPa，断裂延伸率达到70％。CoCrFeMnNi^[2]高熵合金在77到1073k的温度变化范围内，随着温度的降低，屈服强度、拉伸强度、断面延伸率都增加。

此外，常见的AlxCoCrFeNi^[3]系高熵合金的室温冲击功可达400J以上，高于大多数纯金属和普通合金，并且随着温度的降低没有出现明显的韧性转变。虽然高熵合金有许多优异性能，但由于其开发成本高，很难工业应用。

中熵合金作为一种新型合金，不仅兼具了高熵合金的优异性能，同时具有较低的生产成本，具有工业应用价值，近年来开始受到研究者的青睐。Bernd Gludovatz^[4]研究发现，随着温度的降低，CrCoNi中熵合金的塑性和韧性比CrCoNiMnFe高熵合金更好，抗拉强度超过1.3GPa,断裂延伸率达到90％。Zhao等^[5]人通过向CrCoNi中熵合金中添加微量Al、Ti，从而提高了其强度韧性。目前对中熵合金的研究较少，对于中熵合金的设计缺乏系统性，只是简单的通过高熵合金的减元获得。本发明主要结合热力学计算，采用基体合金与中间合金重熔技术，获得双相中熵合金。

参考文献

[1]Gludovatz B,Hohenwarter A,Catoor D,et al.A fracture-resistanthigh-entropy alloy for cryogenic applications[J].science.2014,345(6201).