[发明专利]一种低密度双相高熵合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低密度双相高熵合金材料及其制备方法。该合金材料的元素组成为AlxTiyCrNiCu，其中x＝0.5～3，y＝0.5～3，其晶体结构为FCC+BCC双相结构，密度为5.18～7.14g/cm³。本发明方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术(SPS)相结合的固态成形方法，该固态成形工艺所需温度低，烧结时间短，一次烧结即可获得成分均匀且近全致密的块体材料，可实现近净成形；所制备的高熵合金块体材料的晶粒细小，组织均匀；具有高的强度、硬度、耐磨性和良好的塑性等综合力学性能。

技术领域

本发明属于金属新材料技术领域，具体涉及一种低密度双相高熵合金材料及其制备方法。

背景技术

高熵合金具有一系列不同于传统合金的优异性能，例如具有较高的硬度、耐磨性、高温强度、耐蚀性等，具有非常重要的研究价值和广阔的应用前景。高熵合金的显微组织主要由简单固溶体相构成，一般具有FCC结构的高熵合金固溶体具有良好的塑性，但强度和硬度相对较低；具有BCC结构的高熵合金强度和硬度更高，但塑性较差。双相(FCC+BCC)高熵合金可同时获得高强度、高硬度以及一定塑性的良好综合力学性能。

现有关于高熵合金体系的研究主要集中于Co、Cr、Fe、Ni、Mn等过渡族金属元素和一些较高熔点的金属元素，合金密度较高，一般在8.0g/cm³以上。低密度元素主要有Al、Ti、Mg、Li等元素，由于其化学性质均较为活泼，故在制备高熵合金的过程中，工艺是一大问题。比如因为Mg和Ti活性的影响，机械合金化工艺合成AlLiMgScTi高熵合金需要在液氮冷的低温设备进行。加入Si元素可以有效的降低高熵合金的密度，比如放电等离子烧结制备的AlSiTi系高熵合金密度可低于6.0g/cm³，同时获得低密度与高强度的双重特性，但是Si元素为非金属元素，导致AlSiTi系高熵合金表现为无塑性的脆性断裂。

为数不多的研究表明，低密度高熵合金具有高强度和低密度的双重特性，其比强度可以与一些陶瓷相媲美。但压缩失效形式基本为脆断，这大大限制了其实用性。因此，开发一种具有双相(FCC+BCC)、低密度、高强度并且具有一定塑性综合力学性能良好的高熵合金具有重大的实际意义。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种低密度双相高熵合金材料的制备方法。该方法为机械合金化方法和放电等离子烧结(SPS)快速烧结工艺相结合的固态法，采用机械合金化制备高熵合金粉体，并采用SPS工艺合成低密度高熵合金块体材料。

本发明另一目的在于提供上述方法制得的一种低密度双相高熵合金材料。该合金材料由具有FCC结构的Al、Cu、Ni元素以及具有BCC结构的Cr和β-Ti元素组成，所述合金材料晶体结构为FCC+BCC双相结构，兼具BCC结构的高强度、高硬度和FCC结构的良好塑性，同时具有低密度。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种低密度双相高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取Al、Ti、Cr、Ni和Cu金属单质粉末并混合均匀，得到混合粉末；

(2)将混合粉末置于球磨机中进行球磨，使其机械合金化，其中球料比为(6～10)：1，球磨时间为14～50h，转速为200～400r/min，得到高熵合金粉末；

(3)采用放电等离子烧结工艺对高熵合金粉末进行烧结，其中升温速率为60～120℃/min，烧结温度为850～1200℃，保温时间为5～40min，烧结压力为15～60MPa，得到低密度双相高熵合金材料；

所述低密度双相高熵合金材料的成分为AlxTiyCrNiCu，其中x＝0.5～3，y＝0.5～3。

步骤(1)所述Al、Ti、Cr、Ni和Cu金属单质粉末的摩尔比为(0.5～3)：(0.5～3)：1：1：1。