[发明专利]一种高性能高熵合金及其加工方法

说明书

本发明公开了一种高性能高熵合金及其加工方法，通过在Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金中引入一定含量的碳元素，与基体形成间隙固溶体，一方面可以有效降低材料的层错能，使得在室温条件下就可以诱发孪晶，另一方面碳元素可以通过固溶和析出碳化物为基体提供额外的强度增量。本发明碳元素作为良好的间隙原子以及碳化物作为有效的析出强化相，通过最后步骤中在较高温度较长时间保温，锻态组织被部分或完全消除，部分析出相溶解形成近单相结构后，合金即可在更高性能水平的基础上重新具备较大的性能可调控空间，有利于通过其他强化方式如形变强化和析出强化的组合进行进一步的强化，获得更加合理的强度和塑性搭配，而且总体合金元素的含量合理，成本低，具备较强的经济性。

【技术领域】

本发明属于高性能合金的成分设计及处理工艺领域，设计一种高性能高熵合金及其加工方法。

【背景技术】

高熵合金是2004年由叶均蔚提出的以新的合金设计理念为基础的一类合金，这类合金一般含有五种及以上的合金元素(现在也有四种元素组成的)，每种元素含量均在5％以上，无明显优势元素，结构上一般为单相的FCC或者BCC，有时也出现混合结构。高熵合金因其强烈的固溶效应，具有较高的强度，热稳定性，耐磨性和耐腐蚀性能，自提出以来获得了广泛的关注和研究，被认为是一种潜在的结构材料。

但是部分高熵合金体系，如Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀，却表现出低温性能优良，室温强度有限的特点，限制了该类合金的实际使用；此外，通过引入传统的材料强化手段，如析出强化和位错强化，虽然可以提高该部分高熵合金的室温强度，但却引起其塑性的显著降低，因此实际应用中常常需要在强度和塑性中进行平衡，极大的限制了高熵合金应用的拓展。界面强化，包括晶界强化和孪晶强化，被认为是可以较好协调强度和塑性的一种手段，尤其是孪晶强化，可以同时大幅度提高材料的强度和塑性，但是诱发孪晶则需要满足一定的条件。研究表明，通过合金元素的掺杂，降低材料的层错能是一种可行的方法。通过合理的成分和工艺设计，有可能较大的提升部分高熵合金的室温性能，推动其实际应用。

【发明内容】

本发明的目的在于解决Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金面临的室温强度不足等问题，并协调好强度和塑性之间的关系，提供一种高性能高熵合金及其加工方法。本发明通过在Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金中引入一定含量的碳元素，与基体形成间隙固溶体，一方面可以有效降低材料的层错能，使得在室温条件下就可以诱发孪晶，另一方面碳元素可以通过固溶和析出碳化物为基体提供额外的强度增量，有效提高材料的室温性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高性能高熵合金，按照母合金(Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀)_100-xC_x的名义成分配料并进行熔炼，其中合金基体Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀中各元素原子百分含量为：Fe：35-45％；Mn：35-45％；Co：5-15％；Cr：5-15％；

掺杂碳元素的含量0＜x≤10at％。

本发明进一步的改进在于：

熔炼得到的高性能高熵合金的晶粒尺寸为100-300μm。

一种高性能高熵合金的加工方法，包括以下步骤：