[发明专利]一种含稀土Gd的超细晶高强韧高熵合金及其制备方法

说明书

本发明属于高熵合金技术领域，公开了一种含稀土Gd的超细晶高强韧CoCrFeMnNiGd_x高熵合金及其制备方法。本发明高熵合金的各元素原子百分含量为Co 18％‑20％，Cr 18％‑20％，Fe 19％‑22％，Mn 19％‑22％，Ni 18％‑22％，Gd 1％‑3％。本发明还提供一种上述高熵合金的制备方法，采用机械合金化和放电等离子烧结相结合。本发明通过稀土元素Gd的掺入，控制制备过程中引入的杂质氧的不良影响，析出强化相，并结合粉末冶金制备工艺，细化晶粒，从而使高熵合金具有十分优异的综合力学性能，最佳室温压缩屈服强度达到1621MPa，塑性应变为35.4％，最大抗压强度为2685MPa。

技术领域

本发明属于高熵合金技术领域，特别涉及一种含稀土Gd的超细晶高强韧CoCrFeMnNiGd_x高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金作为一种新型的结构和功能材料，提出伊始就吸引了众多的关注。因其独特的设计理念，使得高熵合金具有特殊的组织结构和优异的性能。高熵合金一般可定义为五种及五种以上的元素，按照等原子比或接近等原子比合金化，倾向于形成单相固溶体的合金。但是，目前对高熵合金的研究并不拘泥于此，对元素种类、原子比例没有严格要求。因为特殊的组织结构，高熵合金常常表现出有别于传统合金(单一主元)的优异性能，例如高强度、高硬度、良好的塑韧性等力学性能，卓越的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性，优良的磁性等理化性能，以及一些其他的性能，如储氢性能、生物相容性等。因而，高熵合金具有广阔的应用前景。

采用粉末冶金法(机械合金化(Mechanically Alloying，MA)+放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS))制备金属材料，通常可获得均匀而细小的显微组织，有效避免成分偏析等铸造缺陷，使得合金具有稳定且优异的性能。机械合金化是指通过磨球与磨球、磨球与罐壁之间的碰撞，使得元素粉末不断发生压扁、冷焊、破碎、再冷焊，从而得到合金化粉末的过程。放电等离子烧结是一种通过大的脉冲电流活化粉末颗粒、升温、固结粉末颗粒的固态成型技术。二者结合，通常能获得组织致密均匀的高性能材料，同时也因为这种加工方法过程中无法避免杂质，使得所制得的材料较熔炼法要脆(J.Alloys.Compd,698(2017)591-604)。

目前，高熵合金的研究多集中在原子半径差别不大、元素原子比例差别不大的合金体系，如CoCrFeMnNi3d过渡族元素高熵合金体系、NbMoTaWV难熔高熵合金体系等，它们大多趋于形成单相的固溶体结构。但是，越来越多的研究表明，当高熵合金为多相组织时，材料同样具有优异的性能，甚至其性能要优于单相高熵合金。Fe₂₅Co₂₅Ni₂₅Al₁₀Ti₁₅高熵合金因为两级纳米析出相的复合结构，使得其具有高达1.86GPa的拉伸屈服强度和2.52GPa的抗拉强度(SciAdv,4(2018),10(8712))。FeCoNiCrTi_0.2高熵合金因为添加少量的Ti元素，形成了纳米沉淀相，使得合金具有卓越的力学性能(Acta.Mater,165(2019)228-240)。

CoCrFeMnNi合金具有较高的塑性，但强度偏低。以传统的熔铸法所制备的CoCrFeMnNi合金为例，在1000℃退火后，其塑性大于75％，但压缩屈服强度仅为230MPa(J.Alloy.Compd.628(2015)170–185)。若能通过选择合适的合金成分及制备工艺，细化晶粒，控制粉末冶金法中杂质氧的影响，且形成弥散析出的强化相，提高高熵合金的强度，将具有非常重要的理论和实际意义。本发明采用粉末冶金法(MA+SPS)，在现有CoCrFeMnNi高熵合金体系的基础上，加入少量的稀土元素Gd，以达到调控组织和提升强度的目的，迄今为止尚无相关文献报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种含稀土Gd的超细晶高强韧CoCrFeMnNiGd_x高熵合金。