[发明专利]耐高温的高熵合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐高温的高熵合金材料及其制备方法，属于合金材料技术领域。

背景技术

高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一(另外两项分别是大块金属玻璃和橡胶金属)，是一个可合成、分析和控制的合金新世界。高熵合金具有的高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀以及高电阻率等特性组合，其性能完全不亚于传统合金。可见，高熵合金潜在的应用前景十分广泛。高熵合金一般可以被定义为由多种组元元素按照等原子比或接近于等原子比合金化，其每种组元元素的原子百分数介于5％和35％之间，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金。随着近年航空航天领域的快速发展，对合金材料在高温下负载和热保护等高温性能提出了更高的要求。高熵合金本身具有的优异耐高温特性组合，使其逐渐成为研究热点。目前，已报道的高熵合金体系主要是基于过渡族金属元素，诸如铁、镍、钴和铜等，但是鲜有基于高熔点金属元素的高熵合金体系被研究。为了完善这一研究领域，研究人员尝试制备新型耐高温的高熵固溶体合金材料。

热力学上，熵是表征系统混乱度的一个参数。混乱度越大，系统的熵也就相应越大。根据玻尔兹曼热力学统计原理，一个体系的熵可表示为：

S＝KlnW (1)

式中，K为波尔兹曼常数(＝1.38×10¹³J/K)，W代表在宏观态中包含微观态的总数。对于合金而言，合金熵的计算以原子排列的混合熵为主。利用Sterling公式简化(1)式，合金的混合熵可以表示为：

式中，R为摩尔气体常量(＝8.31J·K^-1·mol^-1)，c_i代表第i组元元素的原子百分比。从(2)式可以看出，对于理想固溶体而言，组元数越多，组元含量越接近，其混合熵越高。由五种元素组成的等原子合金熔体的混合熵已经可以达到1.61R，而一般金属合金的熔化熵为1R左右。如此高的混合熵必然会对合金的相形成规律产生很大的影响，特别是在高温时，作用更加突出。大量研究表明，高混合熵增进了组元间的相溶性，从而避免发生相分离而导致合金中端际固溶体和金属间化合物的生成。北京科技大学的张勇教授等通过大量合金的统计研究，发现高熵合金固溶体相的形成与合金系的参数Ω及原子半径差δ有关，其中

式中，当δ≤6.6且Ω≥1.1时，合金将形成固溶体相。根据以上高熵合金相形成理论、多元相图以及多元相图模拟技术，研究人员设计出具有自主知识产权的合金成分，并通过采用高真空非自耗电弧熔炼炉成功制备出新型耐高温的高熵固溶体合金材料。

发明内容

本发明旨在提供一种耐高温的高熵合金材料及其制备方法，选取Ti、V、Nb、Mo、Ta和W六种高熔点的金属元素制备出V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅、V₂₅Nb₂₅Ta₂₅W₂₅、Ti₂₀V₂₀Nb₂₀Mo₂₀Ta₂₀或Ti₂₀V₂₀Nb₂₀Ta₂₀W₂₀四种耐高温的高熵固溶体合金，其中合金元素右下角标(20、25)表示该合金元素的原子百分比。

本发明提供了一种耐高温的高熵合金材料，包括V、Nb、Ta三种元素，还包括Ti、Mo、W中的任意一种或两种，且每一种合金中的几种元素的原子个数相等。

所述合金材料的组成为：V₂₅Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅、V₂₅Nb₂₅Ta₂₅W₂₅、Ti₂₀V₂₀Nb₂₀Mo₂₀Ta₂₀或Ti₂₀V₂₀Nb₂₀Ta₂₀W₂₀，其中合金元素右下角标20、25表示该合金元素的原子百分比。