[发明专利]陶瓷相增强难熔高熵合金及其制备方法

说明书

本发明涉及陶瓷相增强难熔高熵合金复合材料及其制备方法，属于材料科学与工程技术领域，本发明通过添加陶瓷相，并使用非自耗真空电弧熔炼炉制备出了一系列陶瓷相增强难熔高熵合金复合材料。本发明的制备方法，工艺简单，便于操作；该合金呈单一BCC结构，微观组织形貌主要为树枝晶，在引入纳米第二相的同时引入间隙原子，使得平均晶粒尺寸相较于基体难熔高熵合金明显减小，室温及高温力学性能明显提高，在800℃下具有优异的高温组织结构稳定性。本发明能显著提高机械工程装备及部件的使役温度，有望取代镍基超级合金在航空航天、交通运输、石油化工、机械电子、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于材料科学与工程技术领域，具体涉及陶瓷相增强难熔高熵合金及其制备方法。

背景技术

难熔高熵合金是以四种及四种以上难熔元素作为主元，以等原子比或近等原子比形成的具有简单晶体结构的固溶体，是基于发展高温结构金属而开发的新型高熵合金体系。2010年美国空军实验室Senkov等人公开报道第一篇具体合金成分合金，近十年来难熔高熵合金获得了极大发展。难熔高熵合金由于其简单的相结构、优异的抗高温软化性能、良好的耐腐蚀性能等优点，在诸如航海航天、深空探测、国防军工、核电能源等极端服役环境领域中具有巨大应用潜力。

难熔高熵合金组元为难熔金属元素，包括Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr，主要体系有NbMoTaW和HfNbTaTiZr两大类。NbMoTaW类合金优异的高温力学性能和结构稳定性使其有望应用于极端高温环境，但合金密度大、室温强度不足、脆性大、以及抗氧化性能差等缺点，严重限制了其应用。HfNbTaTiZr系难熔高熵合金密度较低，室温强韧性高、加工性能好、耐蚀性能优异，但在高温及超高温环境下其抗高温软化性能迅速下降，无法满足高温结构部件的服役要求。

针对以上问题，研究工作者将传统合金中金属元素合金化、相结构设计、非金属元素掺杂等理念应用到高熵合金中。CrNbTiZrV(Senkov,Acta Materialia,2013)、NbMoTaWRe_0.5C_0.8(Wei,Scripta Materialia,2021)、HfNbTiZr O_x(x＝0,1,2)(Lei,Nature,2018)等难熔高熵合金的综合性能得到提高，但其室温脆性和高温强度之间的矛盾关系仍未解决，室温及高温综合力学性能优异的合金体系种类依然十分短缺。近年来，国内外学者将粉末冶金工艺应用于高熵合金的制备。通过机械合金化和放电等离子烧结工艺相结合在高熵合金中引入纳米第二相同时原位生成复合氧化物。

例如8vol.％Al₂O₃-Al_0.4FeCrCo_1.5NiTi_0.3(Yang,Materials Chemistry andPhysics,2018)、0～3vol.％Y₂O₃-Al_0.3CoCrFeMnNi合金(Gwalani,Scripta Materialia,2019)等高熵合金的综合性能得到提高。这类外加第二相的方法通常在粉末冶金工艺中报道，但粉末冶金工艺制备的合金不可避免的存在孔隙，在孔隙附近会萌生的微裂纹，进而造成开裂，影响合金的性能。真空电弧熔炼可以有效避免这一缺陷，得到均匀致密的组织。真空电弧熔炼外加第二相的工艺有望改善难熔高熵合金的综合力学性能。公开号为CN109338200B的中国专利公开了通过真空电弧熔炼在TaNbHfZrTi合金体系中添加陶瓷相获得了具有优异阻尼性能和力学性能的合金，其主要是引入间隙小原子进行实现性能改善。公开号为CN108504890A的中国专利公开了真空电弧熔炼添加陶瓷相获得了断裂强度2300MPa～4000MPa的高熵合金复合材料。

综上所述，在现有难熔高熵合金体系的基础上进行元素合金化以大幅提高材料在宽温域下的综合力学性能不仅难度极大，还会使合金成分更加复杂，增加制备成本。因此，如何改良难熔高熵合金现有的优化策略，在提高合金室温强韧性同时，又能保证合金的抗高温软化性能，已成为难熔高熵合金发展过程中亟待解决的难题。