[发明专利]一种多主元高温合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多主元高温合金及其制备方法。本发明以机械合金化和固相烧结工艺的制备方法为基础，在NbMoTaW四元素为主，添加Ti增加合金系统的塑性，同时添加少量的Al和Zr用于控制合金体系的氧氮杂质的含量，使得由原料和过程控制剂中带入的氧、氮、碳等杂质元素在机械合金化过程中主动与Ti、Al、Zr等元素原位生成Ti(CN)、Al₂O₃、ZrN等高熔点硬质相微粒，消除了杂质元素对机械合金化制备合金性能的危害，还具有一定的弥散增强作用。本发明制备过程简单，材料成型速度快，制备的合金基体组织均匀、氧氮杂质含量低，致密度高，晶粒细小，细晶强化与增强相强化效果较好，拥有较高延展性。

技术领域

本发明属于金属材料及其制备技术，特别涉及一种多主元高温合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金(HEA)包含至少4～5个原子浓度相等或几乎相等的主要元素，近来由于其出色的物理和热性能而引起了相当大的关注。据报道，难熔HEA(RHEA)在高温和室温下表现出优异的强度。其中，高温合金元素的选择非常广泛，一般包括Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W、Zr以及还未应用到多主元高温合金体系中的Ir、Os、Re、Rh、Ru。在制备技术上，目前应用较多，技术较为成熟的方法有真空电弧熔炼法和机械合金化法。2010年，Senkov等人利用真空电弧熔炼法首次研究了基于四种高温难熔元素Nb、Mo、Ta、W以及添加了元素V的两种等原子比的多主元高温合金。相较于传统镍基高温合金具有很大的优势，但室温的塑性流变能力差，延展性低，加工性不好。因此，一些研究人员试图开发避免微观偏析和避免合金中意外化合物形成的方法。

机械合金化法通常涉及MA，然后进行火花等离子体烧结(SPS)，因此被认为是获得均质和细晶粒RHEA的最有前途的方法。MA工艺引起元素粉末的有效混合，并且通过SPS制备的所得合金表现出组成均一性和降低的微偏析水平。均匀的微观结构是在合金中形成固溶相的必要条件，固溶硬化显然是HEA系统中的主要强化机制。另外，通过MA细化晶粒尺寸也可以增强晶界。但是在MA期间，由于环境吸入气体、球和罐的磨损、过程控制剂等因素引入杂质，以及粉末和研磨介质之间的反复碰撞导致杂质对粉末的污染加剧。其中，氧、氮、碳等元素可能成为杂质的主要成份。综上所述，对合金成份和制备工艺加以考虑和设计，提高塑性和解决杂质元素的污染的难题具有十分重要的科学与实践意义。

现有机械合金化中杂质的排除方法是：对于原材料的保存和加料环境采用手套箱等严格气氛可控的环境，可使环境中的氮氧气体的渗入得到严格限制；球磨介质，如球与罐的磨损带入的杂质控制方法，一般会从球与罐的材质上加以严格考虑，并在合金设计时，预先考虑到磨损掺入合金的材料组成，使最终成份符合预期；比较难避免和控制的是机械合金化时一般要加入有机物的过程控制剂。如果不加过程控制剂，通常情况会出现团聚、冷焊等现象，而使机械合金化过程无法进行或者成份产生较明显的偏析。对于加入的过程控制剂的去除，一般在机械合金化后采用真空烘干的方式可以去除掉绝大部分。但是不可避免地会残余一定的有机成份。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，本发明提供了一种组织均匀、晶粒细小、低氧含量且拥有较高延展性的多主元高温合金及其制备方法。

技术方案：本发明所述的多主元高温合金，分子式为Nb_aMo_bTa_cW_d(Ti_xAl_yZr_z)，其中x是Ti元素的原子百分数且8≤x≤18，y是Al元素的原子百分数且0.1≤y≤5，z是Zr元素的原子百分数且1≤z≤5，a、b、c、d分别为Nb、Mo、Ta、W元素的原子百分数且16≤a、b、c、d≤24，a+b+c+d+x+y+z＝100。

本发明还公开了上述高温合金的制备方法，采用机械合金化法、放电等离子弧烧结以及低氧含量工艺相结合的技术，其步骤如下：