[发明专利]一种AlCoCrFeNi系双相组织高熵合金制备方法

说明书

本发明属于金属材料技术领域，具体公开了一种AlCoCrFeNi系双相组织高熵合金制备方法，该方法针对具有典型枝晶组织形貌的脆性体心立方型高熵合金，在热处理过程中，无序体心立方相发生相变会转变为有序体心立方相和面心立方相，微观组织发生改变，粗大枝晶组织消失，转变为由面心立方和体心立方相组成的双相网状组织。其中，原位自生的面心立方相含量增加，有效提升体心立方基高熵合金的塑性。该方法有别于通过调整成分直接引入FCC相的方法，亦避免了复杂的加工工艺，仅需对铸态合金进行简单的热处理，即可获得高强度高塑性的综合力学性能，不仅提高了合金的可加工性能，而且使其具有极大的实际应用潜力。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，特别是涉及一种AlCoCrFeNi系双相组织高熵合金制备方法。

背景技术

高熵合金是近年来金属材料研究领域的热点之一，它通常由多种元素以等原子比或近等原子比组成，开发空间大，可设计性强。现已发现，高熵合金具有高强度、高硬度、良好耐磨性和耐腐蚀性、优异的低温性能、抗辐照、抗高温软化等优异性能，是一种发展潜力极大的新型金属结构材料。

由于强度和塑性的矛盾关系，开发兼具高强度和高塑性的先进材料一直是富有挑战的研究重点，包括高熵合金在内。尽管高熵合金原子排列化学无序，但是晶体结构清晰，常见的主要是面心立方型(FCC)和体心立方型(BCC)。其中，FCC型高熵合金强度低但塑性好，而BCC型高熵合金通常具有极高的强度和硬度，但塑性和加工硬化能力较差，严重限制其实际应用。

研究表明，经典位错理论依然适用于高熵合金力学性能分析和调控。通常，FCC和BCC晶体的塑性变形主要通过位错滑移进行。FCC晶体在较小的应力下，位错即可沿最密排面开动，可以采用多种方法阻碍位错运动来实现合金强化，包括固溶强化、细晶强化、第二相强化等。此外，通过应变过程形变相变(TRIP效应)或形变孪晶(TWIP效应)等机制，也可以提升FCC高熵合金的力学性能。

然而，尽管BCC晶体的滑移系不比FCC晶体的少(有时更多)，但由于每个滑移面的滑移方向少，密排面原子密度和面间距也较小，使得滑移阻力较大。再考虑到合金内晶界作用，即使在较高应力作用下，也难以实现大面积晶粒间位错协同滑移，变形早期就会发生局部应力集中导致材料失稳，这是BCC高熵合金强度高而塑性差的根本原因。也即，BCC高熵合金塑性提升的关键是有效延缓变形时过早的应力集中。目前，有效的方法包括通过调控合金成分直接获得铸态的FCC和BCC双相结构高熵合金，然而，凝固过程枝晶生长和元素偏析会使得铸态合金微观组织不均匀，过程难以控制，提升合金塑性的同时会显著降低合金强度；共晶高熵合金较好的解决了成分偏析问题，可以获得FCC和BCC双相层状共晶组织，变形时应变主要集中在软FCC相区域，合金具有良好的综合力学性能，例如AlCoCrFeNi_2.1；通过调整BCC相的稳定性，基于应变诱发相变的方式缓解变形过程的局部应力集中，提升合金塑性，例如难溶Ti₃₅Zr₂₇.5Hf₂₇.5NbTa₅和Ta_xHfZrTi；通过引入小尺寸的间隙原子，例如氧元素，形成与基体完全共格的纳米结构有序氧复合体，使得位错滑移方式由平面滑移转变为以交滑移为主的波浪滑移，促进位错增殖和均匀变形，提升合金塑性；通过调控获得具有完全共格界面的BCC和有序体心立方相(B2)细晶组织，阻碍位错运动和裂纹的形成，提升合金强度和塑性。目前来讲，共晶高熵组织、TRIP效应和间隙固溶等方式尽管可以提升合金塑性。