[发明专利]一种轻质高强耐蚀高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低成本的轻质高强耐蚀高熵合金及其制备方法，该合金化学成分按原子百分比为：Al 34%~36%，Mg 15%~25%，Zn 29%~31%，Cu4%~6%，Si 5%~15%。该合金采用传统的氩气保护气氛下的电阻炉进行熔炼，部分元素采用中间合金添加、以不同的温度分开熔炼易烧损元素及其他元素、最后一次重熔冷却方式采用风冷10~15秒后水冷，成功制备了大尺寸的轻质高熵合金铸锭。本发明获得的高熵合金原子尺寸差δ较小，混合晗∆H_mix接近0，可形成简单的晶体结构，同时该合金具备成本低、密度小、强度大、耐蚀性强的优点；本发明设计的制备方法简单易实施、能耗低、烧损率低、可实现大规模的工业生产。

技术领域

本发明涉及一种合金，尤其涉及一种轻质高强耐蚀高熵合金及其制备方法。

背景技术

台湾学者叶均蔚于2004年首先提出了一种新的合金设计思路，制备了区别于传统合金的“多主元高熵合金”。高熵合金是由5种或5种以上（一般不超过13种）等摩尔比或近等摩尔比的金属混合而成，每种组元的原子百分比都不少于5%且不多于35%，无主次元素之分。高熵合金具备简单的微观结构以及传统合金无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性等，具有极大的开发使用价值。

Al、Fe 、Co、Cr、Ti、Cu、Ni、V、Mn这些元素在早期就被用于制备高熵合金，然而选用Al、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、V等作为组成元素的高熵合金尽管具备力学性能上的优点，但这种合金比重大，不适用于制备飞机、汽车、轮船等。

目前，制备块体轻质高熵合金的方法通常有熔炼法和机械合金化法，其中熔炼法主要包含电弧熔炼法和感应熔炼法。电弧熔炼法是利用电极与待熔炼物质之间或者两电极之间产生的电弧使金属熔化的方法，也是制备高熵合金最为广泛的一种方法，通常用来熔炼高熔点的高熵合金，当组成元素包含Mg、Zn等低熔点元素时，烧损极大；感应熔炼是利用电磁感应过程产生的涡电流来使金属达到熔化的目的，可用来熔炼低熔点的高熵合金，但这种方法电能耗费极大，成本较高；另现有技术使用电阻炉进行熔炼时，低熔点元素的烧损难以控制，因此制备轻质高熵合金一般不采用电阻炉进行熔炼，机械合金化法是将金属粉末或者合金粉末通过球磨机进行长时间球磨，使其发生原子扩散从而制得合金化的粉末。当粉末充分合金化后，可直接压制成型或采用火花等离子烧结进行固化得到高熵合金块体。这种方法可避免合金成分蒸发损失，但由于采用的原料是粉末，需尽量避免原料与空气接触以免发生氧化，另外粉末极易发生爆炸，不稳定性因素较大，且机械合金化法受模具影响，通常用来制备小尺寸形状简单的高熵合金。

因此设计出比重小强度高的轻质高熵合金以及满足低成本、大尺寸的工业生产要求的制备方法是目前高熵合金领域亟需解决的难题。

发明内容

本发明为了解决现有高熵合金比重大的问题，提供了一种轻质高熵合金，该高熵合金具备成本低、密度小、抗压强度高、耐蚀性能优异的优点，适用于航空航天、交通运输等领域。

本发明所采取的技术方案为：一种轻质高熵合金，包括Al、Mg、Zn、Cu和Si，元素Al、Mg、Zn、Cu和Si的原子半分比为：Al 34%~36%，Mg 15%~25%，Zn 29%~31%，Cu4%~6%，Si 5%~15%

进一步的，所述高熵合金的原子尺寸差δ≤6.6%，混合晗∆Hmix为负值且接近于0。

本发明还提供了一种上述轻质高熵合金的制备方法，该制备方法采用电阻炉对原料进行熔炼，熔炼过程中温度易控制，金属损耗少且能耗低。

本发明中一种上述轻质高熵合金的制备方法包括以下步骤：

准备原料Zn、Al、Al-Si中间合金、Cu和Mg；

将配置好的原料Zn、Al、Al-Si中间合金和Cu放入石墨坩埚中，将石墨坩埚置于电阻炉中熔炼，同时通入氩气作为保护气体；