[发明专利]五元FeCoNiMoSi系高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种五元FeCoNiMoSi系高熵合金及其制备方法。本发明的目的是要解决现有结构钢耐热性能不佳的问题。所述高熵合金由Fe、Co、Ni、Mo、Si五种元素组成，其中Fe，Co，Ni三种元素的原子百分比均为25％，Mo和Si元素的原子百分比分别为20‑24％和1‑5％。所述高熵合金主要由面心立方相，拓扑密排相μ和Leaves相组成，随着Si含量的增加，出现了一个简单立方结构相。本发明获得的五元FeCoNiMoSi高熵合金普遍具有较高的强度和塑性，可以作为结构材料应用于耐热领域。

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备领域，具体而言涉及一种新型的FeCoNiMoSi高熵合金材料及其制备方法。

技术背景

热力学中，熵值代表着系统的混乱程度，熵值越大，系统的混乱程度越大，系统进行自发过程，当熵达到最大值时，系统趋于稳定，达到平衡。高熵合金是一种拥有五种或以上元素，按照等摩尔比或接近等摩尔比混合形成的新型合金。从广义上来讲，只要每一主元原子的原子百分比在5％～35％范围内时即可称为高熵合金。在高熵合金中没有一种元素含量超过50％，也就是说该类合金是由多种元素集体领导而表现其特点的。

ΔS_mix值较高是高熵合金与传统合金相区别的重要特征，高的混合熵能够有效地降低系统的吉布斯自由能(ΔG＝ΔH-TΔS)，从而使合金系统更稳定。一般地，虽然具有较多的组元，但是合金在相组成上趋于形成简单的相结构，这对合金性能方面有着有利的影响。高熵合金因具有高的熵值和缓慢的原子扩散特性，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构，甚至非晶结构。因而，高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，例如高的强度、硬度、耐磨性、较好的塑韧性、良好的组织稳定性和耐蚀性等，是一种具有广阔应用前景的结构材料。

Al_0.5CoCrCuFeNiSi_x(x＝0，0.4，0.8)高熵合金中Si含量的增加促进了该合金体系中FCC相向BCC相的转变，并且其硬度、抗压强度以及耐磨性也显著提高，但同时合金塑性降低。AlCoCrFeNiSi_x(x＝0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)高熵合金主要由BCC相构成，同时展现出较优的室温下抗压性能，其中AlCoCrFeNiSi_0.4合金屈服强度为1481MPa，断裂强度为2444MPa，但塑性应变仅为13.38％。授权公告号CN 104152781A公布了一种AlCoCuFeNiSi等摩尔比高熵合金，该合金屈服强度为1781.6Mpa，抗压强度为1895.2Mpa，但断裂应变仅为8.4％

发明内容

本发明的目的在于提供一种五元FeCoNiMoSi高熵合金及其制备方法，通过调整Mo与Si元素的配比，获得强塑性良好的高熵合金。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

五元FeCoNiMoSi系高熵合金，其成分的原子百分比范围为Fe：25at％，Co：25at％，Ni：25at％，Mo：20-24at％，Si：1-5at％，随着Si含量的增加，Mo含量的相应减少，合金的硬度值呈现减小的趋势，压缩强度也随之减少；Co、Fe、Ni、Mo和Si的形态均为块状、片状或丝状。

进一步，所得到的最佳高熵合金成分中各元素的原子百分比为Fe：25at％，Co：25at％，Ni：25at％，Mo：21at％，Si：4at％。因为，(FeCoNi)₇₅Mo₂₁Si₄合金抗压强度和屈服强度分别为2060Mpa和1100MPa，同时断裂应变达到39％，具有最优的强度与塑性的搭配。

富Fe、Co、Ni枝晶为初生固溶体相，凝固过程中将多余的Si和Mo元素在溶质再分配的作用下排到残余液相中，残余液相成分达到共晶成分并发生共晶反应，生成层片状共晶组织。