[发明专利]一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法，其合金化学成分按重量百分比为：Cr 28.5～32.5％，Co 31.5～33.4％，Ni 32～35％，Al 0.5～6％，Ti 0～6％，Ta 0～3％，C 0.02～0.12％，B 0.002～0.015％，Zr 0.005～0.12％，RE 0.005～0.15％，2％≤Al+Ti+Ta≤6％，其中RE为Ce、La和Y中任一种稀土元素。该合金的制备工艺为将原材料按照比例配料熔炼，锻造电极棒进行重熔，而后进行锻造，制备成合金棒材，合金棒材进行固溶和时效热处理。该合金具有合理的成分配比、宽的热加工窗口及热处理制度，所制备合金棒材具有高的高温强度、良好的热加工和抗氧化性能，是航空发动机和工业燃气轮机热端部件的候选材料。

技术领域

本发明属于中熵高温合金技术领域，涉及一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是近年来发展起来的有别于传统合金的新型合金材料，它由5～13种主要元素组成，组成元素具有相等或近似相等的原子比。多主元高熵合金凝固后，不会形成复杂的金属间化合物，而是形成简单的FCC或BCC固溶体。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。利用这些效应，合理设计合金的成分，可以获得高硬度、高强度，良好的耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温氧化性等良好的综合特性。

尽管高熵合金性能优异，但普遍强韧性匹配较差。例如，FeCoNiCrMn高熵合金的拉伸塑形可达60％，但其抗拉强度却低于500MPa；而AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金的压缩强度高达3200MPa，但几乎无拉伸塑性。Ti元素和Al元素的微量加入都能促进第二相的析出，从而强化高熵合金性能，但是并不是对所有的高熵合金都能提高强韧性匹配。如对AlFeCrCoCu合金，加入Ti元素可显著提升合金的硬度，但几乎无拉伸塑性。已有的AlCrFeNiV体系高熵合金，虽然具有一定的强韧性匹配效果，但是对于实际应用还不足够。正是由于这些原因，限制了高熵合金的发展和工程应用。

目前高熵合金领域的研究越来越多转移到中熵合金上。CrCoNi中熵合金是单一面心立方结构(FCC)固溶体，具有比FeCoNiCrMn高熵合金更优异的强度和塑性。另外，该合金Cr含量高，具有较好的抗氧化、抗腐蚀性能。但是，该中熵合金仅靠固溶强化，高温强度仍然偏低。因此，如何通过位错强化、析出强化等强化手段进一步提高该合金强度，推动其在高温结构材料领域的应用是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决CrCoNi中熵合金面临的强度不足等问题，并协商好强度和塑性之间的关系，提供一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法。该方法通过对合金强化元素的适量添加、合理的热加工和固溶时效热处理工艺制度制定，所获得的高强韧性中熵高温合金在保持较好的热加工性能前提下，又保持了较高的强度和塑性。因此，本发明解决的关键技术是合金元素的选择与用量，加工制备工艺的优化和固溶时效热处理工艺的选择。

本发明通过如下技术方案实现的：

一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法，其合金化学成分按重量百分比为：Cr28.5～32.5％，Co 31.5～33.4％，Ni 32～35％，Al 0.5～6％，Ti 0～6％，Ta 0～3％，C0.02～0.12％，B 0.002～0.015％，Zr 0.005～0.12％，RE 0.005～0.15％，2％≤Al+Ti+Ta≤6％，其中RE为Ce、La和Y中任一种稀土元素。

本发明所述的一种高强韧性中熵高温合金及其制备方法包括以下步骤：

1)将Cr、Co、Ni、Al、Ti、Ta、B、Zr、C、RE按照比例配料，放入熔炼炉中进行熔炼，高温精炼15～30min，精炼温度为1550～1650℃，浇铸成合金锭；

2)对合金锭进行锻造，锻造成电极棒，而后进行重熔，结晶成重熔合金锭；

3)对重熔合金锭进行锻造，制备成合金棒材；