[发明专利]一种纳米片层多相高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米片层多相高熵合金及其制备方法，属于高熵合金技术领域。本发明通过真空电弧炉熔炼、真空扩散退火、热轧、冷轧、最终退火处理和低温预变形处理，得到纳米片层多相高熵合金Cr₂₆Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₁₄。所述高熵合金经过低温预变形后具有纳米片层多相结构，包括FCC基体相、HCP相和非晶相，其体积分数分别为55～70％、10～25％和10～20％。其中HCP相和非晶相呈现纳米条带状均匀地分布在FCC基体相中。所述高熵合金具有优良的热稳定性；制备的片层多相高熵合金的室温屈服强度可达到900MPa，延伸率大于25％。

技术领域

本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种纳米片层多相高熵合金及其制备方法。

背景技术

传统的合金设计理念通常是以某一种金属元素(如钢、铝合金和镁合金等)或者两种金属元素(如TiAl基合金等)为主要元素，通过添加其他微量的元素来进一步改善其性能。然而，随着科技的发展和社会的进步，人类对合金的要求越来越严格，传统的合金已渐渐无法满足社会的需求。高熵合金(High-entropy alloys，HEAs)是近些年来发展的新型合金材料，它是由四种或者四种以上的合金元素以等原子比或者接近等原子比混合而成，每一元素含量在5％-35％之间，没有任何一种元素占主导。高熵合金又可以称为多组元合金(multi-principal element alloys，MPEAs)或者复杂的中间合金(complex concentratedalloys，CCAs)。高熵合金最大的理论意义在于它颠覆了传统的合金设计理念，为进一步改善材料的性能开辟了更广阔的空间。作为一个材料研究的新兴领域，高熵合金有着很高的研究价值与广阔的应用前景。目前的研究结果表明由于独特的成分体系可以很容易地调控其微观组织结构和性能。高熵合金具有许多优异的性能，如高强度、高硬度，良好的结构稳定性，高的高温强度，优异的抗磨损、抗疲劳，抗氧化，抗腐蚀和抗辐照性能等。如美国加州大学伯克利分校和橡树岭国家实验室研制出低温高韧性的等原子比CrMnFeCoNi高熵合金，其断裂韧性超过了目前所有的纯金属和金属合金；德国马普研究所和美国麻省理工学院探索具有孪晶增韧(TWIP)和相变增韧(TRIP)的双相高熵合金Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀(at.％)，该合金克服了强度与塑性之间矛盾关系，参见参考文献[1]：B.Gludovatz AH,D.Catoor,E.H.Chang,E.P.George,R.O.Ritchie.A fracture-resistant high-entropy alloy forcryogenic applications.Science.2014；345:1153-1158；参考文献[2]：Li Z,PradeepKG,Deng Y,Raabe D,Tasan CC.Metastable high-entropy dual-phase alloys overcomethe strength-ductility trade-off.Nature.2016；534(7606):227-30。这些研究结果都表明，高熵合金的发展潜力十分巨大，其应用前景十分广阔。

单相面心立方结构(face-centered cubic,FCC)的等原子比CrMnFeCoNi高熵合金是目前研究最成功的高熵合金体系，它具有较低的层错能。研究结果表明，由于孪晶增韧机制，该合金在低温下同时具有优异的强度，塑性和韧性(抗拉强度：～1GPa，延伸率超过60％，断裂韧性超过200MPa√m)，参见参考文献[1]。它们是低温下应用的理想结构材料，比如存储液化天然气、氢气和氧气。但是，CrMnFeCoNi系高熵合金普遍具有比较低的室温屈服强度(小于400MPa)，这意味着在室温下，这类材料容易发生塑性变形，限制了其应用。添加原子半径较大的合金元素，如Al和Mo，可以引入固溶强化和析出强化，从而提高其室温屈服强度。但是，固溶强化和析出强化同时也显著地降低了合金的塑性和成形性，不利于大规模工业生产。