一种双相双共格轻质高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双相双共格异质结构轻质高熵合金设计及其制备方法。其特征在于所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Al

【技术实现步骤摘要】
一种双相双共格轻质高熵合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料及其制备领域，具体涉及一种双相双共格轻质高熵合金及其制备方法。
技术介绍
高熵合金是一种由五种或五种以上组元以近似等原子比组合而成的合金，它突破了以一种或两种金属元素为主要组分的传统合金设计框架，开辟了合金设计新领域。由于多主元效应(高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应)，进而表现出一系列优异的性能，如突出的高温强度、良好的低温塑性、良好的耐磨性能、良好的耐腐蚀性以及优异的抗辐照性能。随着研究的进展，高熵合金的范围得到了拓展，组元不再局限于五种或五种以上，原子比例也在逐渐偏离等原子比，合金的可设计性大大提高。在航空领域，机身材料是最重要的结构材料。一方面，需要高强度来保证材料的稳定性；另一方面，需要低密度提高材料的结构效率降低材料的质量系数，提高飞机的运载能力。因此，对航空材料最主要的性能要求就是低密度高强度。目前，飞机上使用的一些结构材料主要是铝合金与钛合金，但是传统的铝合金、钛合金以单一主元为主限制了合金金属性能的改善而且限制合金在成份上选择的自由度。为了设计制备具有更高比强度，更低密度的轻质高强合金，从轻质高熵合金的角度出发，利用高熵合金迟滞扩散效应以及晶格畸变效应，提高合金自身的强度同时获得较好的耐高温性能，可开发出更优异的航空材料。目前轻质高熵合金大多是BCC型单相合金以及多相合金为主，与传统轻质合金相比，大多数轻质高熵合金拥有较高的强度、比强度，但其塑性较差，限制了轻质高熵合金的应用范围。因此，在合金开发的同时要注意合金强度与塑性不能兼容的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决合金强度与塑性不能兼容的问题而提供双相双共格轻质高熵合金及其制备方法。本专利技术的技术方案为：通过调整Al元素与TiV元素的含量来实现双相结构，调控合金整体的构型熵、价电子浓度、原子半径差以及电负性等，获得双相结构轻质高熵合金。另一方面，通过热处理工艺和掺杂过渡元素并调节元素含量来控制共格纳米析出相，在两相中生成共格沉淀相，提高合金的力学性能。其中合金主要由FCC+BCC相构成，硬质相保证了合金的高强度，软质相为合金提供良好的塑性变形能力，达到高强度与塑性的组合。同时，通过调整元素含量以及热处理在FCC与BCC相基体中生成各自的共格沉淀相，进一步提高合金的力学性能，如图1所示为本专利技术所述双相双共格异质结构示意图。本专利技术的具体技术方案：一种双相双共格轻质高熵合金，其特征在于，所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Ala(TiV)bMcNd，M至少是Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种，N是Si、C、B等其中的一种或者多种；其中，40≤a≤60，25≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，且c,d不同时为0，a+b+c+d＝100。优选上述双相双共格异质结构轻质高熵合金的硬度为400-600HV，密度为3.6-4.3g/cm3，耐高温性能为600-700℃。本专利技术还提供了一种制备上述的双相双共格轻质高熵合金的方法，采用感应悬浮熔炼法，通过精确调控合金成分与热处理获得双相双共格结构。其具体步骤如下：步骤1：按照所设计合金的原子摩尔百分比进行配料；步骤2：将配好的原料按照熔点高低置于坩埚中，其中熔点高的元素在上方，熔点低的元素在下方；步骤3：抽真空，待感应悬浮熔炼炉内的真空度达到1×10-3-2×10-3Pa后，充入惰性气体，进行熔炼制得高熵合金块体；步骤4：合金的热处理：将高熵合金块体放置在高真空管式炉内，抽真空(一般为6×10-4Pa)，并加热至设定温度，保温一定时间，待合金冷却，得到双相双共格轻质高熵合金。优选上述的热处理温度为900℃-1500℃；热处理保温时间范围为12-36小时。优选合金的冷却方式为空冷、水冷或随炉冷却。有益效果：(1)本专利技术所述高熵合金主要由Al、Ti、V及M、N元素组成，所制备的合金具有低密度、高强度、高塑性等性能优势，具有广泛的应用前景。(2)本专利技术通过通过调整Al元素与TiV元素的含量来实现双相结构，调控合金整体的构型熵、价电子浓度、原子半径差以及电负性等，获得双相结构轻质高熵合金。另一方面，通过调控掺杂合金元素以及热处理工艺，在两相中生成共格沉淀相，获得双相异质结构轻质高熵合金块体。其中合金主要由FCC+BCC相构成，硬质相保证了合金的高强度，软质相为合金提供良好的塑性变形能力，达到高强度与塑性的组合。同时，通过调整元素含量以及热处理工艺在FCC与BCC相基体中生成各自的共格沉淀相，进一步提高合金的力学性能。(3)本专利技术所述制备方法操作简单、安全可靠、制备效果好。附图说明图1为本专利技术所述双相双共格异质结构示意图；图2为实施例3轻质高熵合金退火后金相图。具体实施方式下面结合实例对本专利技术作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说、明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。本专利技术所述双相双共格异质结构主要通过以下设计思路来实现。通过调整Al元素与TiV元素的含量来实现双相结构，以及通过掺杂合金元素和热处理来获得双共格析出相，具体实例如下所示。实施例1：按Al40(TiV)40Si2轻质高熵合金的原子摩尔百分比进行配料；将配好的原料按照熔点高低置于坩埚中，其中熔点高的元素在上方，熔点低的元素在下方，本底真空1×10-3Pa，氩气保护，进行熔炼制得高熵合金块体；将高熵合金块体放置在高真空管式炉内，抽真空至6×10-4Pa，并加热至热处理温度900℃，保温时间12小时，随炉冷却至室温，合金为FCC/BCC双相双析出共格结构，理论密度为4.06g/cm3，硬度480HV，耐高温性能640℃。实施例2：Al40(TiV)40Si2轻质高熵合金的原子摩尔百分比进行配料；将配好的原料按照熔点高低置于坩埚中，其中熔点高的元素在上方，熔点低的元素在下方，本底真空1×10-3Pa，氩气保护，进行熔炼制得高熵合金块体；将高熵合金块体放置在高真空管式炉内，抽真空至6×10-4Pa，并加热至热处理温度900℃，保温时间12小时，空气冷却至室温，合金为FCC/BCC双相双析出共格结构，理论密度为4.06g/cm3，硬度490HV，耐高温性能620℃。实施例3：Al40(TiV)40Si2轻质高熵合金的原子摩尔百分比进行配料；，本底真空1×10-3Pa，氩气保护，进行熔炼制得高熵合金块体；将高熵合金块体放置在高真空管式炉内，抽真空至6×10-4Pa，并加热至热处理温度900℃，保温时间12小时，水冷却至室温，合金为FCC/BCC双相双析出共格结构，理论密度为4.06g/cm3，硬度500HV，耐高温性能610℃。如图2所示，合金为双相组织结构，并且包含有纳米尺度析出相。实施例4：Al40(TiV)40Si2轻质高熵合金的原子摩尔百分比进行配料；将配好的原料按照熔点高低置于坩埚中，其中熔点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双相双共格轻质高熵合金，其特征在于，所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Al

【技术特征摘要】
1.一种双相双共格轻质高熵合金，其特征在于，所述的高熵合金为FCC/BCC双相双共格结构，高熵合金按原子数比记为Ala(TiV)bMcNd，M至少是Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种，N是Si、C、B等其中的一种或者多种；其中，40≤a≤60，25≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，且c,d不同时为0，a+b+c+d＝100。


2.根据权利要求1要求所述的双相双共格轻质高熵合金，其特征在于所述双相双共格异质结构轻质高熵合金的硬度为400-600HV，密度为3.6-4.3g/cm3，耐高温性能600-700℃。


3.一种制备如权利要求1所述的双相双共格轻质高熵合金的方法，其具体步骤如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：操振华，翟高阳，开明杰，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32