高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法。采用真空电弧熔炼的方法，将Re、Mo、Nb、W纯金属粉体与TaC粉体进行高温熔炼，原位生成高熵合金相与多组元碳化物相形成共晶型复合材料。该复合材料由枝晶初生晶和细小规则的层片状共晶组织组成，相界面干净且结合强度高；表现出良好的室温强韧性综合性能，屈服强度高于1.1GPa，平均极限抗压强度高于1.8GPa，室温塑性应变高于5％，硬度高于5.8GPa，可用于核电技术、国防军工等领域。

High Entropy Alloy and Multicomponent Carbide Eutectic Composites and Their In-situ Preparation Method

The invention provides a high-entropy alloy and multi-component carbide eutectic composite material and an in-situ preparation method thereof. Re, Mo, Nb, W pure metal powders and TaC powders were melted at high temperature by vacuum arc melting. High entropy alloy phase and multi-component carbide phase were formed in situ to form eutectic composites. The composite is composed of dendritic primary crystals and fine regular lamellar eutectic structure with clean interface and high bonding strength. It exhibits good comprehensive properties of room temperature strength and toughness, yield strength is higher than 1.1 GPa, average ultimate compressive strength is higher than 1.8 GPa, room temperature plastic strain is higher than 5%, hardness is higher than 5.8 GPa, and can be used in nuclear power technology, national defense industry and other fields.

【技术实现步骤摘要】
高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法
本专利技术涉及一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料及其原位制备方法，属于复合材料

技术介绍
随着核电技术、国防军工等领域的不断发展，对高温结构材料提出了越来越高的要求，如航天飞行器的蒙皮使用温度达1000℃以上，而喷气式发动机的工作温度高达近2000℃，高温热电偶元件使用温度高达2300℃，等等，都需要具有更高使用温度或具有更高的高温强度的材料。耐高温高熵合金材料在高的混合熵、严重的晶格畸变、原子迟滞扩散和鸡尾酒效应的综合作用下，具有一系列优异的特性，如高强度、高硬度、良好的抗高温蠕变性能、耐腐蚀等特性，呈现出潜在的巨大应用价值。迄今为止，已经成功开发了一些高温性能相对较好的高熵合金，如MoNbTaW(V)，AlMo0.5NbTa0.5TiZr，MoNbHfTiZr，TiMoNbTaW(V)，TixWTaVCr等。在这些合金中，仅由高熔点元素组成的MoNbTaW高熵合金在1400℃仍具有较好的高温性能。然而，MoNbTaW在室温下延展性差，压缩塑性应变仅为2.1％，极大地限制了其广泛应用。在传统复合材料的启发下，可通过在高熵合金中添加陶瓷相来提高高熵合金的机械性能。如Rogaletal.等人通过机械合金化和热等静压方法在CoCrFeMnNi高熵合金中添加5％Al2O3纳米颗粒，Al2O3颗粒以弥散增强的方式分布在基体中，将合金的屈服强度从1180MPa提高到1600MPa；Fanetal.等人通过自蔓延高温合成法在(FeCrNiCo)Al0.75Cu0.25中引入10vol％固相TiC，TiC均匀分布在基体中，显著提高合金强度，等等。这些都属于固相反应体系，陶瓷相弥散分布，提高强度的同时降低韧性，均未涉及到高熵合金与陶瓷复合材料的高温反应。考虑到TaC具有优异的物理化学性能，如高硬度，高熔点(3880℃)，良好的化学稳定性等，可以有效提高复合材料的力学性能；TaC至今尚未用于制备高熵合金基复合材料。另外，电弧熔炼温度高(>3900℃)，可有效增加元素扩散效率和反应速率。更为重要的是，通过电弧熔炼法制备的高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，通过高温反应，可获得细小规则的共晶组织，相与相之间的连接界面是熔体自生复合而生，界面干净且结合强度高。共晶型复合材料表现出良好的高温稳定性和优异的机械性能，使得其作为超高温结构材料将具有广泛的应用前景。
技术实现思路
针对现有耐高温高熵合金室温或高温综合性能不足以及现有复合材料固相反应方法的不足，本专利技术在耐高温高熵合金MoNbTaW的基础上选用高熔点金属元素Mo、Nb、Re、W，通过添加高熔点TaC(含高熔点金属Ta)，采用电弧熔炼法原位生成高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，获得室温强韧性良好的高温复合材料。为了解决上述问题，本专利技术提供一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其原料组成体系为Re-Mo-Nb-W-TaC，Mo/Nb/W元素中任意两元素的摩尔比为0.95～1.05，Re与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比为0～1.5，TaC与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比x＝0.5～1.5，经真空电弧熔炼制得。按上述方案，所述复合材料由体心立方结构的高熵合金相与MC相(多组元碳化物相)组成；所述的高熵合金相为Re，Mo，Nb，W和Ta元素组成的固溶体，MC相为多组元碳化物(Ta，Nb，Mo，W)C固溶体。按上述方案，所述复合材料的微观结构由枝晶初生晶和细小规则的层片状共晶组织组成，共晶组织为高熵合金相和MC相交替分布，相界面结合良好。所述的高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料的原位制备方法，其特征在于：取Re、Mo、Nb、W和TaC粉体原料进行熔炼，所有原料的纯度均大于99.9％，粉体的粒径范围均为0.5-125μm，经压制，熔炼而得，所述的熔炼制备过程采用真空电弧熔炼，温度大于3900℃，其工艺参数为：输出功率为40～60％，电流为200～300A，采用水冷铜结晶器冷却，重熔2～5次。按上述方案，所述共晶型复合材料具有良好的室温强韧性综合性能，屈服强度高于1.1GPa，平均极限抗压强度高于1.8GPa，室温塑性应变高于5％，硬度高于5.8GPa。可用于核电技术、国防军工等领域。与现有材料相比，本专利技术所述复合材料具有如下优势：1、本专利技术在耐高温高熵合金MoNbTaW的基础上选用高熔点金属元素Mo、Nb、Re、W和高熔点碳化物TaC(含高熔点金属元素Ta)，通过高温下金属元素与TaC之间的反应，成功制备出一种新型高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，进一步完善了复合材料体系；该复合材料中的高熵合金相和MC相均为新相，丰富了材料体系；2、本专利技术采用电弧熔炼法制备，制备过程简单，反应温度(>3900℃)，即高温下元素扩散速率高，有效促进金属元素在碳化物中的扩散，原位生成高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料；高温熔炼可有效去除氧化物等微量杂质，相界面干净，结合强度高；3、本专利技术制备的共晶型复合材料的微观结构中有大量细小规则的层片状的共晶组织，材料具有良好的相稳定性、高的断裂强度和良好的耐高温蠕变性能。同时，MC相的形成有效减小高熵合金相的晶粒尺寸，在细晶强化和第二相强化的综合作用下，达到增强增韧的效果；4、本专利技术制备的共晶型复合材料具有良好的室温强韧性综合性能，屈服强度在1.1～1.8GPa，平均极限抗压强度为1.8～2.7GPa，室温塑性应变为5.1～10.5％，硬度为5.8～8.8GPa，综合性能优于现有耐高温高熵合金材料。附图说明图1是本专利技术所述高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料的XRD图谱；其中：图1(曲线a)为实施例1制备得到的MoNbW(TaC)0.5复合材料的XRD图；图1(曲线b)为实施例2制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)0.5复合材料的XRD图；图1(曲线c)为实施例3制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)0.9复合材料的XRD图；图1(曲线d)为实施例4制备得到的Re1.5MoNbW(TaC)1.0复合材料的XRD图；图1(曲线e)为实施例5制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)1.5复合材料的XRD图。由图可知，该共晶型复合材料由高熵合金和MC两相组成。图2是本专利技术所述高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料的显微组织图；其中：图2(a)为实施例1制备得到的MoNbW(TaC)0.5复合材料的显微组织图；图2(b)为实施例2制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)0.5复合材料的显微组织图；图2(c)为实施例3制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)0.9复合材料的显微组织图；图2(d)为实施例4制备得到的Re1.5MoNbW(TaC)1.0复合材料的显微组织图；图2(e)为实施例5制备得到的Re0.5MoNbW(TaC)1.5复合材料的显微组织图。该共晶型复合材料由枝晶状的初生晶和层片状的共晶组织组成。图3是本专利技术所述高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料的室温压缩应力应变曲线图；其中：图3(曲线a)为实施例1制备得到的MoNbW(TaC)0.5复合材料的应力应变曲线图；图3(曲线b)为实施例2制备得到的Re0.5MoNbW(Ta本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其原料组成体系为Re‑Mo‑Nb‑W‑TaC，Mo/Nb/W元素中任意两元素的摩尔比为0.95～1.05，Re与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比为0～1.5，TaC与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比x＝0.5～1.5，经真空电弧熔炼制得。

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其原料组成体系为Re-Mo-Nb-W-TaC，Mo/Nb/W元素中任意两元素的摩尔比为0.95～1.05，Re与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比为0～1.5，TaC与Mo/Nb/W元素中任一元素的摩尔比x＝0.5～1.5，经真空电弧熔炼制得。2.如权利要求1所述的高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其特征在于：所述复合材料由体心立方结构的高熵合金相与MC相(多组元碳化物相)组成；所述的高熵合金相为Re，Mo，Nb，W和Ta元素组成的固溶体，MC相为多组元碳化物(Ta，Nb，Mo，W)C固溶体。3.如权利要求1所述的高熵合金与多组元碳化物共晶型复合材料，其特征在于：所述复合材料的微观结构由枝晶初生晶和细小规则的层片状共...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈强，魏琴琴，罗国强，刘茹霞，张建，王传彬，张联盟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42