[发明专利]一种Al-Cr-Co-Ni系高熵合金及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种Al‑Cr‑Co‑Ni系高熵合金及其制备方法与应用。该高熵合金材料成分按原子百分比包括：Al 7.6％～15％，Cr 21％～30％，Co 20％～29％，Ni 31％～40％。该高熵合金具有面心立方相为主相，体心立方相为次相的结构。本发明高熵合金通过铸造方法制备，包括但不限制于真空磁悬浮熔炼工艺。本发明的高熵合金与传统的船用螺旋桨材料镍铝青铜、Al_19.3Co₁₅Cr₁₅Ni_50.7共晶合金进相比，本发明的高熵合金在海水中的空蚀‑腐蚀失重速率仅约为后者同条件下的六分之一与三分之一；同时拥有良好的力学性能；在淡水、海水环境中均具有优异的耐空蚀性能，满足过流部件的制造需求。

技术领域

本发明属于先进金属材料技术领域，具体涉及一种Al-Cr-Co-Ni系高熵合金及其制备方法与应用；同时具有良好力学性能、抗空蚀和耐腐蚀性能，适用于制造海水、淡水环境中遭受空蚀、空蚀-腐蚀条件下的关键零部件。

背景技术

涡轮机、船用螺旋桨、船舵等过流部件经常发生极为严重的空蚀损坏，主要是因为它们在液体介质中高速运动时会造成大量空泡形成并溃灭，溃灭产生的冲击波和微射流会在极短的时间内完成对材料表面的定向冲击，在反复作用后，材料表面就会因疲劳断裂而损坏。由于淡水的腐蚀性较弱，因此在淡水中的过流部件主要发生的是空蚀损伤，但即便是空蚀自身也会造成水电站中的大型水轮机叶片等部件频繁损毁更换，给相关行业带来巨大的经济损失。而海水具有强腐蚀性，因此在海洋环境中，空蚀和腐蚀会同时发生，空蚀会造成材料表面的钝化膜等剥落，加速腐蚀损坏；腐蚀则会降低材料表面的抗疲劳性能，加剧空蚀破坏。简言之，空蚀加速了腐蚀，腐蚀也加速了空蚀。正是由于空蚀和腐蚀的耦合作用，舰船动力系统的关键过流部件会产生更为严重的破坏。船舶用螺旋桨目前大多采用镍铝青铜合金和不锈钢，它们存在的最大问题就是抗空蚀-腐蚀性能难以进一步提升，影响了舰船和海洋平台等关键装备的升级或更新换代。因此，亟需开发新型抗空蚀-腐蚀材料。

南昌航空大学的林翠等人，文献[1](中国腐蚀与防护学报2016，36(1)：11-18)分析了几种典型金属材料(Fe、Cu、不锈钢、Ti和形状记忆合金)的空蚀行为，重点解释了金属材料微观结构、成分、力学性能和其他因素对金属材料空蚀的影响。在模拟空蚀环境的实验下，这几种金属材料都会发生较为严重的空蚀损坏。中国科学院金属研究所的于宏等人，文献[2](腐蚀科学与防护技术2007,29(3)：181-185)利用空蚀试验机研究了镍铝青铜在2.4wt％NaCl溶液中的空蚀行为，表明空蚀行为其实是一个腐蚀与空蚀的交互作用过程，且力学性能起到了重要的作用。

近年来出现的新型高熵合金，一般由四种及以上主要元素(主元)组成，不同于传统材料的单一主元，这种新型合金材料由于高的混合熵，通常兼具有多种优异的性能，例如稳定的固溶体组织会提升其耐腐蚀性能，迟滞扩散效应会增强其抗蠕变性能，高熵合金还普遍具有高强度、高硬度、高温抗氧化性能等。考虑到关键过流部件通常需要整体一次铸造成型，而双相结构高熵合金则具有良好的铸造性能，因此需要将抗空蚀-腐蚀材料尽可能设计成为双相结构。AlCoCrNi系高熵合金中随着Al元素的逐渐增多，会促使该类合金由单一面心立方结构(FCC)向面心立方结构和体心立方结构共存(FCC+BCC)转变。由于FCC结构具有良好的延伸率，而BCC结构具有强度高的特点。因此，调控设计并制备出含有FCC主相和BCC次相组织的高熵合金，则将具有优异的综合力学性能和良好的铸造性能，有望在替代过流部件用传统材料方面获得重要应用。

综上所述，鉴于不锈钢、铜合金在海水环境中强韧性和耐腐蚀性能难以同步提升，从而导致上述金属材料的抗空蚀-腐蚀性能的提升存在瓶颈。本发明设计制备出的高熵合金通过空蚀-腐蚀实验、力学性能测试和微观组织表征，发现其力学性能、抗空蚀性能和抗空蚀-腐蚀性能均优于镍铝青铜，同时还具有优异的铸造性能。因此，利用该类高熵合金制造关键过流部件、主承力部件，具有巨大的应用前景。

发明内容