[发明专利]一种低层错能面心立方结构高熵形状记忆合金及其制备方法

说明书

本申请涉及一种低层错能面心立方结构高熵形状记忆合金及其制备方法，所述合金的组成元素及原子百分数为：28％～32％Mn，8％～12％Cr，9％～12％Si，余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中，所述合金中Mn、Cr、Si的总原子百分数不低于50％；所述合金中Fe和Mn的原子百分数之比不低于1.5；所述制备方法包括感应熔炼、均匀化退火处理、热轧处理及固溶处理步骤，其中所述固溶处理过程是在氩气保护下经1000～1100℃保温1～2h后水冷淬火。本申请提供的高熵形状记忆合金的原料成本低，易于制备和加工，并同时具有高强度、高塑性和良好的形状记忆效应，在舰艇自修复蒙皮、大型管道套筒接头、智能混凝土结构等领域有广阔的应用前景。

技术领域

本申请属于高熵合金材料技术领域，尤其涉及一种低层错能面心立方结构高熵形状记忆合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金由于含有高溶度的多种组成元素，成分熵很高，因此通常具有高稳定性和很高的固溶强化效应。这类合金最初被认为有望在对耐腐蚀性和高温力学性能有很高要求的领域获得广泛的应用。近些年的研究表明，面心立方结构的高熵合金可以通过调控层错能获得多种塑性变形机制，包括{111}112变形孪晶和应力诱发fcc→hcp马氏体相变，使得该类合金可以在塑性变形的过程中产生孪晶、相变诱导塑性的效应，从而呈现出高加工硬化率、高抗拉强度以及高塑性。同时由于该类合金易于制备和加工，因此面心立方结构的高熵合金已被视作有重要应用潜力的高性能室温结构材料。值得注意的是，当层错能很低时，该类合金在塑性变形的过程中会产生大量的应力诱发hcp马氏体，而这类马氏体在高温下会迅速逆转变为原始的fcc基体相。考虑到变形过程中应力诱发马氏体相的生成及其在加热退火过程中的逆转变是形状记忆效应的来源，由此可以推断低层错能的面心立方结构高熵合金具有形状记忆效应。

在过去的数十年中已有多种合金体系被发现具有形状记忆效应，其中获得广泛关注的主要是NiTi基形状记忆合金和Cu基形状记忆合金。但是由于强度低、形状记忆稳定性差等原因，Cu基形状记忆合金至今仍鲜有商业应用。在各类形状记忆合金中，目前只有NiTi基形状记忆合金实现了广泛的商业应用，已被用于制作套筒管接头、致动器、接骨板、血管支架、弹簧、智能手机天线、眼镜框、振动阻尼器等。但值得注意的是，NiTi基形状记忆合金的原料成本高昂，且其主要组成相为金属间化合物，因此制备和加工困难，难以制成大型零件，从而极大地限制了其更广泛的应用。基于NiTi基合金体系开发出来的以体心立方结构固溶体为主要组成相的高熵合金，如申请号为201510788841.8的发明专利所公开的合金体系，也已被证明具有形状记忆效应，但是这类合金一方面形状记忆性能远低于NiTi基合金，另一方面其原料成本仍很高，且其组成相中金属间化合物的含量较高，因此可以预期这类合金在形状记忆性能、原料成本、加工性等方面将难以满足大型零件的生产制作要求。

发明内容

考虑到低层错能面心立方结构高熵合金可以由Fe、Mn、Cr、Si等低成本元素制备，并且这类合金一方面具有良好的力学性能，另一方面又易于制备和加工，因此研发出具有形状记忆效应的低层错能面心立方结构高熵合金是解决现有形状记忆合金应用局限的关键。该类合金材料将在舰艇自修复蒙皮、大型管道套筒接头等大型零件的制造装配领域以及智能混凝土结构的制造领域获得广泛的应用。

基于以上考虑，本申请针对现有商用形状记忆合金成本高、制备和加工困难、难以制成大型零件的问题，提供一种成本低且易于制备和加工的低层错能面心立方结构高熵形状记忆合金及其制备方法。

具体的，本申请第一方面提供一种低层错能面心立方结构高熵形状记忆合金，所述合金的组成元素及原子百分数为：28％～32％Mn，8％～12％Cr，9％～12％Si，余量为Fe和不可避免的杂质元素；

其中，所述合金中Mn、Cr、Si的总原子百分数不低于50％，以保证该合金具有高成分熵和在固溶淬火后能获得100％的面心立方结构相；

所述合金中Fe和Mn的原子百分数之比不低于1.5，以保证该合金具有低层错能和在塑性变形过程中能大量产生应力诱发马氏体。