[发明专利]一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，尤其涉及一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金，又名高混乱度合金，是一种拥有5-13元的多主元合金。由于其高温热稳定性、耐蚀性、高强度、高抗氧化性以及优良的磁电性能等，为金属材料开创了一个新的领域，是目前极具发展潜力的新兴材料。高熵合金中的合金元素以等摩尔比或非等摩尔比配比，也可以微量添加元素来达到改性的目的，其主要组元数目n≥5，且每种元素的原子百分比不超过35%，高熵合金的高熵效应使得传统二元或多元合金间易于形成的金属间化合物会被完全抑制，体系一般只形成单一的BCC、FCC结构固溶体亦或非晶相，同时可以在普通铸态下形成纳米组织。

高熵合金是一种全新的合金设计理念，完全不同于传统金属材料，许多超乎寻常的现象孕育在这种新的合金设计理念中。这些新的现象主要包括：（1）高混合熵效应。高熵合金中较多的组元导致系统的混合熵比形成金属间化合物的熵变还要大时，高熵效应就会抑制脆性金属间化合物的出现，促进元素间混合形成简单的BCC或FCC结构；（2）缓慢扩散效应。相变取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的铸造过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制从而延迟到低温区间，这正是铸态高熵合金基体中往往出现纳米析出物的原因所在。（3）鸡尾酒效应。由于包含多种主要元素，高熵合金可以看作是原子尺度的复合材料。因此，除各种元素对于微观组织的间接影响外，源于元素的基本特性以及它们之间的相互作用使得高熵合金呈现出一种复合效应，即“鸡尾酒效应”。（4）晶格畸变效应。高熵合金中容易形成包含多种主要组元元素的固溶体相，这样一个包含多种元素的晶格一定是严重畸变的，因为所有原子既可看作溶质原子也可看作溶剂原子，而且原子尺寸都不一样。高熵合金中的晶格畸变效应会导致其高的固溶强化、热阻、电阻等特性。

正是由于高熵合金特有的组织特点以及独特的性能，其应用前景十分广泛：（1）高硬度且耐磨耐高温的工具、模具和刃具；（2）利用喷涂、溅镀、铸造包覆等方法制备高尔夫球头的击打面，油压气压杆、钢管及轧压筒等各种器件的硬面；（3）高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光碟、高频软磁薄膜及喇叭；（4）化学工厂、轮船、油井等的耐蚀高强度材料；（5）涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的材料；（6）超高大楼结构的耐火骨架；（7）储氢材料；（8）微机电元件、电路板的封装材料等；（9）喷镀金属材料的抗扩散膜。

目前开发的高熵合金成分很多，其中FeCoNiCrMn高熵合金研究最为广泛，该合金的拉伸塑性可以达到60%，但其强度较低，仅有不到500MPa。然而BCC难溶点高熵合金的拉伸性能鲜有报道。传统的微合金化元素是C、B、Si、Al等，本发明创新地使用N元素来强化TiZrHfNb基高熵合金体系的拉伸性能，强化效果非常明显。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高的强度、高的塑性且加工硬化率低的TiZrHfNb基高熵合金，具有简单的体心立方结构的氮强化的TiZrHfNb基高熵合金及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种氮强化的TiZrHfNb基高熵合金，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_aZr_bHf_cNb_dN_p，其中0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+p=100。

进一步，所述高熵合金材料成分的原子百分比表达式为Ti_aZr_bHf_cNb_dM_fN_p，其中M为I、J、K或L 中的一种或多种，I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Sn、Pb、Ge、As、Sb或Te中的至少一种，J为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd或Ru中的至少一种，K为V、Ta、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L为稀土元素中的至少一种，0＜a≤35,0＜b≤35,0＜c≤35,0＜d≤35，0≤f≤35,0＜p≤5，且a+b+c+d+f+p=100。