[发明专利]一种高熵合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高熵合金，涉及金属材料技术领域。本发明提供的高熵合金由包括以下原子百分含量的元素制备得到：Fe 39.0～41.0％，Co 9.0～11.0％，Mn 39.0～41.0％，Cr 9.0～11.0％。本发明的高熵合金层错能理论值约为35mJ/mol，该层错能有利于高熵合金在低于室温环境放置时，仍保持单相奥氏体结构；在低温条件下承受应力载荷时，除了发生位错滑移和机械孪生，还发生形变诱发奥氏体向马氏体转变。从实施例可以看出，本发明的高熵合金在173K时，屈服强度为670M，拉伸率达62％，抗拉强度达750MPa；塑性与强度高于用传统方法制备的低温用钢制品的力学性能。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种低温用无镍高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金突破传统单一主元合金设计理念，由多种元素按照等原子比或接近等原子比合金化而成的一种新型合金。由于其具有传统金属无法比拟的高强度、高硬度、高耐磨耐蚀性以及高热/电阻等优异性能，在飞机、船舶、高速切削用刀具和油气资源开发等领域表现出巨大的应用潜力。高熵合金在加工制备和随后的服役过程中亦可能面临零摄氏度以下甚至更低温度的使用环境，这不仅要求其在苛刻条件下有高强度，还要具备一定均匀塑性变形的能力。

高熵合金领域的研究集中在通过多主元成分设计使得系统的熵值最大化，以获得稳定的单相结构，包括面心立方、体心立方或密排六方，以及单相与少量非晶、纳米晶共存为设计目标。与传统合金类似，这类合金通过阻碍位错运动提高材料的强度。具体机理为：受元素间原子尺寸差异的影响，合金内部的晶格畸变阻碍位错滑移；其次，弥散分布的非晶可产生强化，纳米晶内无位错存在。两方面共同作用使得合金的强/硬度提高而塑性变形更加困难。然而，当把这样的金属材料置于低温环境承受应力载荷时，可以推测，其内部位错运动的能力会像在传统合金中那样由于缺乏位错开动的激活能而非常微弱，从而严重降低材料的塑性。

鉴于镍是一种能使金属材料在低温下具备良好塑性的元素，有研究(B.Gludovatz,A.Hohenwarter,D.Catoor,E.H.Chang,E.P.George,R.O.Ritchie,Afracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications,Science,2014,345:1153-1158)报道了面心立方结构的高熵合金铁钴锰铬镍的低温拉伸性能，经检测高熵合金铁钴锰铬镍不仅是目前记录的最硬金属材料之一，而且在低温下强度、延展性反而比室温条件下都有提高。因此，成为低温塑性最好的高熵合金材料。该合金室温下的抗拉强度为750MPa，均匀延伸率为55％；当形变温度为200K时，抗拉强度为900MPa，均匀延伸率为60％；当形变温度为77K时，抗拉强度为1200MPa，均匀延伸率达到70％。然而，该合金中的五种合金元素为等原子百分比，即镍的原子含量高达20％，成本太高。有关不添加镍的高熵合金在文献中也有报道。现有技术(Z.Li,K.G.Pradeep,Y.Deng,D.Raabe,C.C.Tasan,Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductilitytrade-off,Nature,vol.534,pp.1,2016；Z.Li,F.B.Grabowski,J.Neugebauer,D.Raabe,Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloyswith transformation-induced plasticity,Acta Mater.,vol.136,pp.262,2017)报道了通过调控合金元素含量为较大原子比，获得了具有面心立方奥氏体和密排六方马氏体混合结构的铁钴锰铬高熵合金，其中奥氏体和马氏体体积分数分别为72％和28％。在室温下，这种双相高熵合金的抗拉强度和断裂伸长率均高于前面文献报道的具有最优强度和塑性匹配的FeCoMnCrNi合金。然而，当服役环境温度降低至173K时，由于该双相合金内部的六方马氏体内的位错可动性远远低于奥氏体，合金的整体塑性被显著降低，最大延伸率仅为16％。