[发明专利]一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法，属于合金材料技术领域，涉及共晶中熵合金及其制备技术领域，采用Cr、Fe、Ti和Nb低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还能保证合金优异的力学性能与铸造性能，合金包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，合金组织包括BCC相与Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织。合金具有高强度的特点，并展现出良好的高温热稳定性。合金采用Fe、Ti、Cr等低价格元素，成本较低，且制备方法简单快捷，因此具有潜在的工业化应用前景。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，涉及共晶中熵合金及其制备技术领域，具体涉及一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法。

背景技术

多主元合金是由五种及以上元素(每种元素含量为5～35％)构成的新型高性能合金材料。由于多主元合金的设计思路不同于传统合金，这使其能够将多重不同因素进行协同作用，大大地提升了合金的强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等力学性能。

中熵合金作为从多主元合金所衍生出来的一种新型合金材料，它延用了多主元合金的设计思路，即采用二至四种不同元素以等摩尔比或近摩尔比的方式构成。中熵合金具备并发展了多主元合金的一系列优异性能，如中熵合金具备更好的强度、塑性、耐磨性等，但它同时也包含了多主元合金的缺点，如单一固溶体相难以实现强度与塑性的良好匹配，同时由于单一相结构导致了合金的流动性较差，铸件内部存在明显的冶金缺陷，从而严重影响了铸件材料的力学性能。

为解决单一相结构材料的韧性与强度不匹配缺点，以及合金铸造性差的工艺问题，在原有中熵合金的基础上，通过添加特定元素形成第二相，并将第二相与基体相以形成共晶组织的方式相结合，可实现合金强度与韧性的良好匹配，同时显著提升合金的铸造性能。然而，现有共晶中熵合金多含有Co、Hf、Ta等稀贵金属或国家战略金属原料，尽管这类共晶中熵合金具有良好的力学性能，但其昂贵的价格和稀少的储量严重阻碍其更好工业化应用与发展。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法，采用低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还能保证合金优异的力学性能与铸造性能。

为了实现以上目的，本发明提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金，包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，合金组织包括BCC相与Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织。

进一步地，所述合金中Laves相的体积含量为63％。

进一步地，所述合金在铸态的室温抗压强度为2.33GPa。

进一步地，所述合金在1100℃/48h热处理后的室温抗压强度为2.0GPa。

本发明还提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，包括：

(1)按照摩尔百分比Cr：Fe：Ti：Nb＝1：1：1：2称取原料；

(2)将原料充分熔化熔炼后，即得到兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金。

进一步地，所述步骤(1)中将纯度高于99.9at.％的原料Cr、Fe、Ti和Nb进行打磨清洗。

进一步地，所述步骤(2)中原料按熔点由低到高的顺序依次放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中。

进一步地，所述步骤(2)中先将真空电弧熔炼炉的真空度抽至3×10^-3～6×10^-3Pa，再充入保护气体，连续重复多次，最终将真空度控制在0.05～0.1Pa进行熔炼。

进一步地，所述步骤(2)中熔炼时将合金锭翻转重熔多次，每次熔炼4～5min，最后将合金锭随炉冷却至室温取出。