[发明专利]一种双相双共格轻质高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双相双共格异质结构轻质高熵合金设计及其制备方法。其特征在于所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Al_a(TiV)_bM_cN_d，M至少是Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种，N是Si、C、B等其中的一种或者多种；其中，40≤a≤60，25≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，且c,d不同时为0，a+b+c+d＝100。本发明通过磁悬浮感应熔炼直接制备合金锭，所制备合金具有超高强度、低密度、良好的塑性、耐高温的特点，具有广泛的应用前景，同时制备方式简单，制备效果好。

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，具体涉及一种双相双共格轻质高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是一种由五种或五种以上组元以近似等原子比组合而成的合金，它突破了以一种或两种金属元素为主要组分的传统合金设计框架，开辟了合金设计新领域。由于多主元效应(高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应)，进而表现出一系列优异的性能，如突出的高温强度、良好的低温塑性、良好的耐磨性能、良好的耐腐蚀性以及优异的抗辐照性能。随着研究的进展，高熵合金的范围得到了拓展，组元不再局限于五种或五种以上，原子比例也在逐渐偏离等原子比，合金的可设计性大大提高。

在航空领域，机身材料是最重要的结构材料。一方面，需要高强度来保证材料的稳定性；另一方面，需要低密度提高材料的结构效率降低材料的质量系数，提高飞机的运载能力。因此，对航空材料最主要的性能要求就是低密度高强度。目前，飞机上使用的一些结构材料主要是铝合金与钛合金，但是传统的铝合金、钛合金以单一主元为主限制了合金金属性能的改善而且限制合金在成份上选择的自由度。为了设计制备具有更高比强度，更低密度的轻质高强合金，从轻质高熵合金的角度出发，利用高熵合金迟滞扩散效应以及晶格畸变效应，提高合金自身的强度同时获得较好的耐高温性能，可开发出更优异的航空材料。

目前轻质高熵合金大多是BCC型单相合金以及多相合金为主，与传统轻质合金相比，大多数轻质高熵合金拥有较高的强度、比强度，但其塑性较差，限制了轻质高熵合金的应用范围。因此，在合金开发的同时要注意合金强度与塑性不能兼容的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决合金强度与塑性不能兼容的问题而提供双相双共格轻质高熵合金及其制备方法。

本发明的技术方案为：通过调整Al元素与TiV元素的含量来实现双相结构，调控合金整体的构型熵、价电子浓度、原子半径差以及电负性等，获得双相结构轻质高熵合金。另一方面，通过热处理工艺和掺杂过渡元素并调节元素含量来控制共格纳米析出相，在两相中生成共格沉淀相，提高合金的力学性能。其中合金主要由FCC+BCC相构成，硬质相保证了合金的高强度，软质相为合金提供良好的塑性变形能力，达到高强度与塑性的组合。同时，通过调整元素含量以及热处理在FCC与BCC相基体中生成各自的共格沉淀相，进一步提高合金的力学性能，如图1所示为本发明所述双相双共格异质结构示意图。

本发明的具体技术方案：一种双相双共格轻质高熵合金，其特征在于，所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Al_a(TiV)_bM_cN_d，M至少是Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种，N是Si、C、B等其中的一种或者多种；其中，40≤a≤60，25≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，且c,d不同时为0，a+b+c+d＝100。

优选上述双相双共格异质结构轻质高熵合金的硬度为400-600HV，密度为3.6-4.3g/cm³，耐高温性能为600-700℃。

本发明还提供了一种制备上述的双相双共格轻质高熵合金的方法，采用感应悬浮熔炼法，通过精确调控合金成分与热处理获得双相双共格结构。

其具体步骤如下：