[发明专利]一种含硼元素的BCC结构高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含硼元素的BCC结构高熵合金，其涉及属于高熵合金材料领域，其组分按质量百分比为：铝：5～15%；锆：40～60%；铌：20～30%；钼：5～15%；钒：0.1～5%，余量为硼元素（0.01～3.0%）和不可避免的杂质；针对目前典型BCC结构难熔高熵合金如TaNbMoW、TaNbMoWV等含有大量高密度金属元素，合金密度大，成本高，室温塑性差，难以作为结构材料应用的瓶颈问题，本发明提出一种含硼元素的新型BCC结构难熔高熵合金及其制备方法，制备出了强韧兼备的BCC结构难熔高熵合金；硼元素与Mo、Nb、Zr的混合焓分别为‑34、‑54和‑71 kJ/mol，绝对值很高的负混合焓使元素偏聚形成硼化物，硼化物的形成可通过Orowan机制对合金进行强化，提高了合金的强度。

技术领域

本发明属于高熵合金材料领域，特别是涉及一种含硼元素的高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是最近数十年来发展的合金材料，其概念最早于2004被Yeh等人提出，一般由4-13不同的合金元素混合熔炼得到，每种元素一般占比约5%-35%。高熵合金又被称为多组元固溶体合金，其微观结构类似于液体或者非晶的原子随机无序排列。但高熵合金的多组元混合形成高的混合熵（△Smix），使得其成为热力学稳定相（△G＜0），这是高熵合金与非晶最大的不同点，即多组元合金元素形成的高熵效应导致高温相结构的稳定性。由于组成结构异常于常规合金，因此高熵合金具有常规合金不具备的四大性质，即热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变特点，扩散上的迟滞效应和性能上的鸡尾酒效应。这四大性质赋予高熵合金新颖的微观结构和多组元易调节的性能特点，因此而备受关注。目前研究发现，高熵合金可能拥有比常规合金更好的抗辐照性能，抗腐蚀，力学性能及相结构稳定性等等。目前该领域已经引起了美国、日本等多国科学家的关注，并已取得了一些重要进展，譬如，美国橡树岭实验室Zhang和Jin、美国密歇根大学Lu关于含Ni多组元合金的离子辐照的研究，以及日本大阪大学Nagase在原位电子辐照等方面的研究等。

硼（B）元素的密度低，添加至高熵合金中可以显著降低合金的密度水平。同时，作为一种非金属元素，硼易于和其他元素结合形成第二相，例如，B元素与Co、Cr、Fe、Ni 的混合焓分别为-24、-31、-26 和-24 kJ/mol，绝对值很高的负混合焓使元素偏聚形成硼化物，硼化物的形成会提高合金的强度。另外，B 元素的加入会对材料起到晶粒细化的作用，从而可以同时改善高熵合金的屈服强度和塑性水平。然而，以往的研究大都集中于FCC结构的FeCoNiCrMn等合金体系，而在BCC结构的难熔高熵合金中的应用还鲜见报道。因此，开发一种含硼元素的BCC结构的难熔高熵合金对于高性能合金材料的发展和应用具有重要意义。

发明内容

针对目前典型BCC结构难熔高熵合金如TaNbMoW、TaNbMoWV等含有大量高密度金属元素，合金密度大，成本高，室温塑性差，难以作为结构材料应用的瓶颈问题，本发明提出一种含硼元素的BCC结构难熔高熵合金及其制备方法，制备出了强韧兼备的BCC结构难熔高熵合金。

本发明的含硼元素的BCC结构难熔高熵Al-Zr-Nb-Mo-V-B合金，组分按质量百分比为：铝：5～15 %；锆：40～60 %；铌：20～30 %；钼：5～15 %；钒：0.1～5%，余量为硼元素（0.01～3.0 %）和不可避免的杂质。

进一步的优化以及改进，上述的合金组分按质量百分比为：铝：5～7 %；锆：40～50%；铌：20～30 %；钼：5～10 %；钒：0.1～2.8%，余量为硼元素（0.01～0.2 %）和不可避免的杂质。

进一步的优化以及改进，上述的合金组分按质量百分比为：铝： 7 %；锆： 50 %；铌： 30 %；钼： 10 %；钒： 2.8%，余量为硼元素（0.2 %）和不可避免的杂质。

进一步的优化以及改进，上述的合金组分按质量百分比为：铝：5～15 %；锆：40～60 %；铌：20～30 %；钼：5～14.89%；钒：0.1～5%，余量为硼元素（0.01～3.0 %）和不可避免的杂质。