[发明专利]一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法，所述合金的化学成分以质量分数计为：C：0.02‑0.10%，Cr：20.5‑25.0%，Co：8.0‑11.0%，Mo：2.0‑2.8%，Nb：2.0‑3.8%，W：0.8‑2.0%，Fe：9.0‑15.0%，Al：1.0‑4.0%，Ti：2.5‑6.0%，余量为Ni及不可避免杂质元素；合金材料的显微组织主要为稳定的γ/γ'两相组织；本发明通过添加Al、Ti等低密度合金元素，使合金密度显著降低；通过添加Cr及Al，在合金表面产生致密氧化膜，显著提高合金的耐蚀性；得到低膨胀并兼顾高的高温强度、以及良好加工性能的高熵高温合金。

技术领域

本发明属于合金材料领域，提供了一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法。

背景技术

以高温合金和金属间化合物为代表的高温结构材料是发动机热端部件制造中的关键材料。随着现代航空航天和能源电力等领域的高速发展，对高温结构材料本身的成文能力、使用性能、比重等提出了更严苛的要求。镍基高温合金由于具有较高的室温和高温强度、优良的抗氧化、蠕变与疲劳性能和长期组织稳定性，而成为当前航空航天发动机热端部件中应用最广泛的高温结构材料，其中目前使用量最多的变形高温合金之一是GH4169。GH4169镍基高温合金中存在两个主要强化相：γ′相和γ″相，但是γ″强化相只能在650℃以下稳定存在。因此在低温及中温阶段，GH4169具有相对较高强度。当温度升高到650℃以上时，强化相变得不稳定，合金强度急剧下降。其他强度相对较高的合金，比如GH4738，虽然650℃以上强度比GH4169要高，但是该合金变形抗力较大，加工困难，不易成型。

钴基高温合金在高温下具有良好的抗热疲劳、耐热腐蚀和耐磨性能，与镍基高温合金相比，钴基高温合金具有更高的热导率和更低的热膨胀性能。钴基高温合金中的γ′相难以在高温下稳定存在，使得γ′相沉淀强化机制无法实现，严重限制了钴基高温合金承温能力。且依靠碳化物强化的钴基高温合金的高温力学性能显著偏低。另外，钴基高温合金的成本过高，密度甚至达到9g/cm³以上。

为了进一步提高航天飞行器的推重比，减重是一个关键技术手段。传统镍基及钴基高温合金受合金化元素影响，密度较高，普遍在8.2g/cm³以上，不利于提高飞行器的工作效率。

高熵合金是近年来备受关注的有别于传统合金的新型合金材料，它由5～13种主要元素组成，优于传统合金主要体现在两方面：一是从成分设计来说，合金元素种类与含量具有高灵活性；二是从组织性能来说，多主元高熵合金凝固后，不会形成复杂的金属间化合物，而是形成简单的FCC或BCC固溶体，不仅具有优异的力学性能，还有良好的催化性能、抗辐照性能等特殊性能。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的品格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。利用这些效应，合理设计合金的成分，可以获得高硬度、高强度，良好的耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温氧化性等良好的综合特性。因此高熵合金灵活的成分设计及优异的综合性能使其具有重要科研价值及广阔应用前景。

目前高熵合金的研究主要偏重于室温甚至低温力学性能方面，绝大部分高熵合金均为单一固溶体组织，在高温条件下，固溶强化的效果是有限的。而目前开发的难熔高熵合金体系虽然具有较高的高温强度，但塑性、抗氧化性较差，在室温下具有低延展性导致无法加工变形，同时合金密度较大、原料成本过高。综上所述，目前已有的高熵合金还不能完全满足发动机和燃气轮机热端部件材料所要求的抗高温氧化、抗蠕变、疲劳抗力、长期组织稳定性以及良好加工性能。

发明内容

本申请提供了一种低密度低膨胀高熵高温合金及其制备方法，以解决高熵合金如何同时满足低密度和耐高温的技术问题。

用于实现上述目的的技术方案如下：