[发明专利]高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法

说明书

本发明提供了一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法。采用真空电弧熔炼的方法，将Re、Mo、Nb、W纯金属粉体与TaC粉体进行高温熔炼，原位生成高熵合金相与多组元碳化物相形成共晶型复合材料。该复合材料由枝晶初生晶和细小规则的层片状共晶组织组成，相界面干净且结合强度高；表现出良好的室温强韧性综合性能，屈服强度高于1.1GPa，平均极限抗压强度高于1.8GPa，室温塑性应变高于5％，硬度高于5.8GPa，可用于核电技术、国防军工等领域。

技术领域

本发明涉及一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着核电技术、国防军工等领域的不断发展，对高温结构材料提出了越来越高的要求，如航天飞行器的蒙皮使用温度达1000℃以上，而喷气式发动机的工作温度高达近2000℃，高温热电偶元件使用温度高达2300℃，等等，都需要具有更高使用温度或具有更高的高温强度的材料。耐高温高熵合金材料在高的混合熵、严重的晶格畸变、原子迟滞扩散和鸡尾酒效应的综合作用下，具有一系列优异的特性，如高强度、高硬度、良好的抗高温蠕变性能、耐腐蚀等特性，呈现出潜在的巨大应用价值。迄今为止，已经成功开发了一些高温性能相对较好的高熵合金，如MoNbTaW(V)，AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr，MoNbHfTiZr，TiMoNbTaW(V)，Ti_xWTaVCr等。在这些合金中，仅由高熔点元素组成的MoNbTaW高熵合金在1400℃仍具有较好的高温性能。然而，MoNbTaW在室温下延展性差，压缩塑性应变仅为2.1％，极大地限制了其广泛应用。

在传统复合材料的启发下，可通过在高熵合金中添加陶瓷相来提高高熵合金的机械性能。如Rogal et al.等人通过机械合金化和热等静压方法在CoCrFeMnNi高熵合金中添加5％Al₂O₃纳米颗粒，Al₂O₃颗粒以弥散增强的方式分布在基体中，将合金的屈服强度从1180MPa提高到1600MPa；Fan et al.等人通过自蔓延高温合成法在(FeCrNiCo)Al_0.75Cu_0.25中引入10vol％固相TiC，TiC均匀分布在基体中，显著提高合金强度，等等。这些都属于固相反应体系，陶瓷相弥散分布，提高强度的同时降低韧性，均未涉及到高熵合金与陶瓷复合材料的高温反应。

考虑到TaC具有优异的物理化学性能，如高硬度，高熔点(3880℃)，良好的化学稳定性等，可以有效提高复合材料的力学性能；TaC至今尚未用于制备高熵合金基复合材料。另外，电弧熔炼温度高(>3900℃)，可有效增加元素扩散效率和反应速率。更为重要的是，通过电弧熔炼法制备的高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，通过高温反应，可获得细小规则的共晶组织，相与相之间的连接界面是熔体自生复合而生，界面干净且结合强度高。共晶型复合材料表现出良好的高温稳定性和优异的机械性能，使得其作为超高温结构材料将具有广泛的应用前景。

发明内容

针对现有耐高温高熵合金室温或高温综合性能不足以及现有复合材料固相反应方法的不足，本发明在耐高温高熵合金MoNbTaW的基础上选用高熔点金属元素Mo、Nb、Re、W，通过添加高熔点TaC(含高熔点金属Ta)，采用电弧熔炼法原位生成高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，获得室温强韧性良好的高温复合材料。

为了解决上述问题，本发明提供一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其原料组成体系为Re-Mo-Nb-W-TaC，Mo/Nb/W元素中任意两元素的摩尔比为0.95～1.05，Re与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比为0～1.5，TaC与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比x＝0.5～1.5，经真空电弧熔炼制得。