[发明专利]一种双相结构高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双相结构高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。高熵合金的元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。本发明采用电弧熔炼获得FeCoNiCrMnSi_x高熵合金，所得高熵合金组织结构简单，是FCC+BCC双相结构，FCC相和BCC相的体积分数可以通过Si含量进行调节；Si含量较低的合金具有高塑性，而Si含量较高的合金具有高强度、高硬度及良好抗氧化性能等优点；室温下屈服强度为250‑1005MPa，压缩应变率大于10％；600℃时屈服强度为126‑607.7MPa，压缩应变率大于16％，性能优于典型的FeCoNiCrMn高熵合金。

技术领域

本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体地说是一种双相结构高熵合金及其制备方法。

背景技术

耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的结构材料。但随着服役参数的不断提高，对耐热材料的性能要求越来越高，促进了近年来高温强度更高、抗氧化性能更好和足够的韧性的新型耐热合金的迅速发展。

高熵合金概念的提出为开发此材料提供了新的思路。高熵合金突破了传统合金的设计理念，采用多种元素为主元，每种元素的原子百分比介于5％～35％之间，结构简单，多为FCC相、BCC相和HCP相结构。由于组成元素众多，各元素的原子半径大小不一。因而，高熵合金内部存在较大的晶格畸变，阻碍合金中原子扩散，这也极大程度促使BCC结构高熵合金展现较高的强度和硬度，塑性却并不理想。而FCC结构的高熵合金具有优异的延展性，但材料强度却往往不能满足使用要求。

有研究表明，等原子比FeCoNiCrMn高熵合金(FCC结构)是一种很有应用前景的结构材料。FeCoNiCrMn高熵合金与常规耐热合金相比，具有更好的室温韧性，然而FeCoNiCrMn高熵合金的强度低，且在高温空气等氧化环境中，氧与FeCoNiCrMn高熵合金表面发生化学反应生成铬和锰的氧化物层，该氧化物层很疏松，极易脱落，导致合金抗氧化性能差。在不降低塑性或降低程度较小的情况下，如何提高FeCoNiCrMn高熵合金的强度和高温抗氧化性能，对高熵合金的实际应用具有重要的现实意义。

BCC相具有较高的强度和硬度，而在FCC基体中加入原子尺寸半径较大且稳定BCC相的元素(比如Si，Al)会促进BCC相的形成，同时含Si和Al的合金在高温氧化过程中容易形成SiO₂或Al₂O₃保护膜，有利于提高合金的抗氧化性能。因此，本发明在FeCoNiCrMn高熵合金基体中添加一定量的Si，有望同时提高合金的强度和抗氧化性能。

发明内容

本发明针对FeCoNiCrMn高熵合金具有高塑性而强度低以及抗氧化性能差的问题，提供了一种兼具高强度、高塑性和优异的抗氧化性能的双相结构高熵合金及其制备方法。本发明采用电弧熔炼技术制备了FeCoNiCrMnSi_x高熵合金，形成FCC+BCC双相组织结构的合金，显著提升了FeCoNiCrMn合金的力学性能。

本发明双相结构高熵合金，其元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。本发明双相结构高熵合金，简记为FeCoNiCrMnSi_x。

本发明双相结构高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：金属原材料预处理

利用砂纸去除高纯Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块表面的氧化皮，再将金属块置于烧杯中，加入无水乙醇，超声波清洗10min，以去除金属块表面灰尘和油污，更换无水乙醇，超声波清洗5min，然后干燥处理，获得预处理后的Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块。

步骤2：电弧熔炼高熵合金