[发明专利]一种Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金

说明书

本发明涉及一种Nb微合金化Ni‑Co‑Fe‑Cr‑Al高熵合金，属于金属材料技术领域。本发明所述高熵合金通过基础组元Al、Ni、Co、Cr、Fe配比的调整和微量元素Nb的添加，促进L1₂相的形成，避免B2相、Laves相、σ相等有害相的出现；所述的高熵合金主要由FCC相组成，晶粒尺寸在100μm～400μm之间，屈服强度不低于300MPa，抗拉强度不低于740MPa，延伸率不低于18％，兼具良好韧性和较高的屈服强度，满足现代工业对材料力学性能的要求。

技术领域

本发明涉及一种具有高强度、高塑性的Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金，属于金属材料技术领域。

背景技术

高熵合金也称作多主元合金，是近年发展起来的一类新型合金，其定义为由五种及以上元素按等原子比或近等原子组成的合金，每种主要组元的含量为5～35at.％；此外，还可以添加其它合金元素进行合金化，添加量小于5at.％。高熵合金的多主元组成特点，不同于传统合金有明确的基体元素(如Fe基合金、Ti基合金、Al基合金和Ni基合金等)，所以在液态或无序固溶体状态下具有很高的混合熵，而且高混合熵能够稳定固溶体相，使这类合金具有较简单的相组成和显微组织。正因如此，这类合金被命名为高熵合金。

由于多主元效应(高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应)，高熵合金的冶金物理作用机制有别于传统合金，从而表现出了一系列优异的性能，如突出的高温强度、良好的低温韧性、良好的耐磨性能、良好的耐腐蚀性以及优异的抗辐照性能等。然而，目前所报道的多主元合金，都没有实现很好的强韧性匹配。BCC结构的高熵合金屈服强度最高可达～2000MPa，几乎没有拉伸塑性；FCC结构的高熵合金则具有较好塑性，但是其屈服强度一般不超过300MPa。这极大的限制了高熵合金的实际应用，因此开发具有良好综合力学性能的高熵合金，具有重要意义。

传统单相组织的合金通常也不具备较高的强度，为满足使用要求，通常采用细晶强化、复相强化、沉淀强化、位错强化和相变强化等方法提高合金的强度。这些强化方法的运用，一般需要将合金化设计和适当的形变热处理工艺相结合。高熵合金的设计理念虽有别于传统合金，但仍属于晶体材料范畴，其变形机制依然是位错滑移、孪生和相变等，所以传统合金中的强化方法同样适用于高熵合金。但是，高熵合金多主元的成分组成特点使高熵合金的成分调整更为复杂，一方面高熵合金中没有特定的元素占主导地位，所以成分调整时需要综合考虑元素间的相互作用，同时兼顾某个组元的发挥效果；另一方面，微合金化元素的添加通常能显著改变合金的组织和力学性能，但在高熵合金中，添加元素的选择需要同时考虑其与多个主元的作用。因此，在提高高熵合金强韧性匹配中，合金成分设计是关键难题之一。

Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金系统中，Ni、Co和Fe元素稳定FCC相，Al和Cr元素稳定BCC相。另外，Ni和Al之间大的负混合焓将导致B2相和L1₂相的形成，二者化学组成可表示为(Ni,M)Al和(Ni,M)₃Al，主要由Ni和Al元素构成，Ni元素部分被M(代表Co、Fe和Cr)取代。其中，B2相与FCC基体为半共格关系，呈针状，对合金的塑性不利；而L1₂相与基体完全共格，常表现为弥散的纳米级球状析出，不仅具有更好的强化效果，对塑性的牺牲也相对较小。根据Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金的相组成特点和合金的强韧化方法，该系列合金有潜力获得较高的强度，同时保持较好的塑性。然而，现有报导的Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金中，BCC结构合金强度一般超过1400MPa，但几乎没有拉伸塑性；虽然FCC结构合金延伸率超过50％，但屈服强度仅约为200MPa。而具有FCC+BCC双相结构的合金，由于受到混合法则的限制，也很难实现强韧性的良好匹配。如Al_0.7CoCrFeNi双相合金，屈服强度约为700MPa，但延伸率不到10％；而具有共晶组织的AlCoCrFeNi_2.1双相合金强度则不到400MPa。因此，探索改善Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金强韧性匹配的方法，对实现该合金的实际应用具有重要意义。

发明内容