[发明专利]一种高强度高塑性高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度高塑性的高熵合金及其制备方法，属于金属材料及制造技术领域。本发明所述高熵合金制备原料为Co、Cr、Fe、Ni金属颗粒和Al‑10Er(Er质量分数为10％)中间合金颗粒，制备方法具体如下：将上述金属颗粒按照设定比例称取，在高真空电弧熔炼炉中进行熔化并随后在铜模中凝固，制备成高熵合金，熔炼过程中为了确保合金成分的均匀性，需将合金块体反复熔炼。将初期制备的铸态高熵合金在高温热处理炉中均匀化处理，随后水淬，并对高熵合金铸锭进行轧制，温度在500‑800℃，将轧制后的试样随空气冷却，即可获得一种高强度高塑性的高熵合金。本发明所制备的高熵合金具有优异的力学性能、制备过程简单。

技术领域

本发明涉及一种具有高强度高塑性的高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。

背景技术

传统的合金一般以一种或者两种元素为主，通过添加少量的其他元素以达到某些特定性能的要求。随着合金设计理念进一步发展，21世纪初，中国台湾学者叶均蔚突破了传统合金设计理念，率先提出“高熵合金”的设计思想，即合金中主元的数目不少于5，且每种主元的摩尔比在5％和35％之间。高熵合金具备高熵效应，可形成简单固溶体结构，不出现复杂的金属间化合物，所得相数远远低于平衡相律所预测的相数，并表现出高强度、高硬度、耐高温软化、耐高温氧化和耐腐蚀等特性，对于冶金与材料产业的提升具有重要意义。

高熵合金早期研究重点在合金成分设计上，即组元元素种类及含量对高熵合金的微观结构和性能的影响。研究者们通过合理的元素添加或配比，使合金的性能达到最优，达到甚至超越传统合金材料，例如不锈钢，镍基高温合金等。近年来探索出来的合金种类日益增多，高熵合金组织和性能的关系已被逐步探明，但是单纯的宏观组元调配不能支持对高性能的进一步追求。已知单相FCC结构的高熵合金具有较好的塑性，但是其屈服强度一般不超过300MPa，单相的BCC结构屈服强度可高达1GPa，但是其塑性非常差。这极大的限制了高熵合金的实际应用，因此开发具有良好综合力学性能的高熵合金，具有重要意义。

近年来研究者们把目光放到了微量元素添加和其变形机制的探索上。张研婧研究高温下Al_0.5FeCoNiCrMn高熵合金变形机理，发现在900℃时，Al_0.5FeCoNiCrMn高熵合金在热变形过程中加工硬化和动态回复同时发生，强度和塑性同时得到提高。Zhang等人通过真空电弧熔炼法制备CoCrFeNiY，探究稀土Y元素对CoCrFeNi高熵合金机械性能的影响，发现添加量0.3时，硬度最优，由146HV提升至400HV，屈服强度由202MPa提升至1 440MPa，塑性降至2.3％，并得出主要是由于固溶强化与第二相强化共同作用的结果。CoCrFeNi高熵合金具有单一的FCC相，它具有非常好的耐腐蚀性、耐高温性和塑性，但是强度较低，通过不同方式改善其性能已经成为现在研究的热点问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，本发明提供了一种高强度高塑性高熵合金及其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种高强度高塑性高熵合金，含有金属元素Co、Cr、Fe、Ni、Al、Er，Al、Er元素以中间合金形式添加，中间合金中Er的质量百分数为10％，即Al-10Er。

优选的，所述Co、Cr、Fe、Ni、中间合金中Al的摩尔比为1:1:1:1:0.05。

上述高强度高塑性高熵合金的制备方法包括以下步骤：

(1)配制Fe、Cr、Co、Ni、Al-10Er的金属块体颗粒；

(2)将步骤(1)配制的金属块体颗粒在高真空电弧熔炼炉高纯Ar气环境中反复熔炼，并在铜模中冷却凝固成铸锭；

(3)将步骤(2)熔炼的合金铸锭进行高温均匀化热处理，然后取出水淬至常温；

(4)将步骤(3)经过均匀化热处理的合金铸锭轧制后空冷至室温，即制备得到高强度高塑性高熵合金材料。