[发明专利]一种高强高韧层状异构中熵合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高强高韧层状异构中熵合金及其制备方法，其解决了现有中熵合金表现出强度‑塑性性能不匹配的技术问题，其所含主要元素为Ni、Cr、Co、Nb，中熵合金的组分为(Ni₂CrCo)_100‑xNb_x，其中Ni、Cr、Co元素的摩尔比为2∶1∶1，Nb元素的原子百分比为2≤x≤5at.％，本发明还公开了高强高韧层状异构中熵合金的制备方法，其包括配料、熔炼、液氮轧制、热处理四个步骤，可广泛应用于金属材料及其制备领域。

技术领域

本申请属于金属材料及其制备领域，具体涉及一种高强高韧层状异构中熵合金及其制备方法。

背景技术

众所周知，现代社会科技的迅速发展对于材料的性能需求越来越高，传统合金设计已经难以满足需求。高、中熵合金设计理念的出现，为设计高性能金属材料提供了一条有效的途径。高、中熵合金的各项独特性能，如高构成熵，大晶格畸变以及缓慢扩散效应等，使其表现出有别于传统合金的一系列优异性能，如高硬度、高耐磨、耐腐蚀性能以及良好的抗辐照能力，优异的低温性能等，作为理想的结构材料。

但是，中熵合金作为由高熵合金概念衍生出来的新型合金，表现出强度- 塑性性能不匹配，例如，CrCoNi中熵合金室温屈服强度低于400MPa，而断裂伸长率高达70％，严重制约了其发展与应用。目前各类强化手段被应用于中熵合金强韧化研究中，如固溶强化，细晶强化，析出强化，异构强化等，然而单一的强化手段依然无法充分挖掘中熵合金的潜力，该技术问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种高强高韧层状异构中熵合金及其制备方法，有效结合析出强化和异构形变强化效果，获得强度和塑性相互匹配的优异性能。

为此，本发明提供一种高强高韧层状异构中熵合金，其所含主要元素为Ni、 Cr、Co、Nb，中熵合金的组分为(Ni₂CrCo)_100-xNb_x，其中Ni、Cr、Co元素的摩尔比为2∶1∶1，Nb元素的原子百分比为2≤x≤5at.％。

一种高强高韧层状异构中熵合金的制备方法，其包括以下步骤：

步骤(1)，配料：按照中熵合金的名义成分分别对Ni、Cr、Co、Nb单质金属原料进行精确称量，备用；

步骤(2)，熔炼：将Ni、Cr、Co、Nb单质金属原料置于真空感应熔炼炉中加热至熔化，然后倾倒在钢模中冷却，得到中熵合金铸锭；

步骤(3)，液氮轧制：将得到的中熵合金铸锭浸入液氮槽中，然后进行多道次轧制处理，以满足引入大塑形变形的要求。为了抑制轧制过程中的动态再结晶，每道次轧制间隙需要在液氮中充分浸泡，得到液氮轧制的中熵合金；

步骤(4)，热处理：将得到的中熵合金进行部分再结晶处理，获得晶粒异构组织；然后进行时效处理，引入析出强化相。即可获得高强高韧层状异构中熵合金。

优选的，Ni、Cr、Co和Nb单质金属原料纯度均不低于99.5％。

优选的，在步骤(1)配料之前，对Ni、Cr、Co、和Nb单质金属原料进行预处理，预处理的方法为：以Ni、Cr、Co、和Nb金属块作为原材料，使用机械研磨去除原材料表面氧化皮，然后依次置于丙酮、酒精溶液中进行超声清洗，继而吹干备用。

优选的，在步骤(2)熔炼中，将Ni、Cr、Co、Nb单质金属原料置于真空感应熔炼炉中加热至熔化并保温，保温时间控制在20～30分钟，然后倾倒在钢模中冷却，得到中熵合金铸锭。熔化单质金属原料最好分步进行：先加入Ni、 Cr、Co加热至熔化并保温，再加入Nb单质金属原料加热至熔化并保温。