[发明专利]一种氮化物强化高熵合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮化物强化高熵合金及其制备方法，属于材料技术领域。以原子百分比计，该氮化物强化高熵合金的化学成分为：V/Nb:0.03～1.2％，N:0.40～1.2％；余量为等原子比Co、Cr、Fe、Ni。该氮化物强化高熵合金的制备方法为：配料→熔炼→浇注成型→均匀化退火→锻造→热处理。本发明通过控制材料中的V/Nb与N的含量，利用锻造及时效工艺控制第二相氮化物的含量，以固溶强化和第二相强化机制获得材料强度和韧性的最佳搭配。

技术领域

本发明涉及一种氮化物强化高熵合金及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

近年来高熵合金成为材料科学领域中的一个研究热点，它突破了以一种金属或两种金属为主要元素的传统合金框架，发展出一种全新的合金设计理念。Yeh.等给出了高熵合金的定义：五种或者五种以上的合金元素以等摩尔比的方式混合，形成一种多元素混乱合金。该类型的合金被总结为具有如下四个异于传统合金的性能：热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应和性能上的“鸡尾酒”效应。

高熵合金具有较多合金元素，用传统冶金物理的观点来看，在成型后，合金内部必然会存在大量的金属间化合物。但研究表明，高熵合金倾向于形成一种单一结构的固溶体结构，这就简化了原本复杂的情况，使得这种合金易于设计及研究。图1给出了高熵合金与其他合金的屈服强度-断裂韧度对比图。从图中可以看出，高熵合金在力学性能方面，具有较大的应用潜力。

从高熵合金的性质可以看出，高熵合金的高熵效应决定了其具有优异的高温力学性能，即基体在高温环境中具有较高的稳定性，所以其有望作为航空航天发动机和涡轮叶片的候选材料。目前所发展的高温合金的高温力学性能主要是依靠基体中析出富Cr的Laves相或者具有立方形态的L12-Ni3Al等有序超结构相，然而，这些第二相在高温下稳定性低，极易长大，影响其高温蠕变性能。我们在研究耐热钢时发现，MX型氮化物相较于Laves相或者L12-Ni3Al具有优异的高温稳定性，能大幅提高材料的高温蠕变性能，因此，本发明在以CoCrFeNi为基体的合金中加入微量V/Nb、N元素，进而实现氮化物的析出而达到沉淀强化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化物强化高熵合金及其制备方法，通过控制材料中的V/Nb与N的含量，利用锻造及时效工艺控制第二相氮化物的含量，以固溶强化和第二相强化机制获得材料强度和韧性的最佳搭配。

本发明的技术方案是：

一种氮化物强化高熵合金，其特征在于，以原子百分比计，该氮化物强化高熵合金的化学成分为：V/Nb:0.03～1.2％，N:0.40～1.2％，余量为等原子比的Co、Cr、Fe和Ni。

本发明还提供了所述氮化物强化高熵合金的制备方法，其特征在于，具体工艺流程为：配料→熔炼→浇注成型→均匀化退火→锻造→热处理；其中原材料均采用纯金属或中间合金的形式加入，熔炼过程需按照熔点从低到高依次将配料放入真空感应炉的坩埚中，容易相互化合的原料块尽量分开装入，避免产生难熔化合物，熔炼过程保持真空度≤10Pa(熔炼前，应进行多次充氩气及抽真空操作)，反复结壳熔炼四次及以上；将获得的铸锭在较高温度下长时间均匀化处理，之后再进行锻造和热处理。

作为优选的技术方案：

均匀化处理工艺为：温度1200-1250℃，时间≥24h。

锻造工艺为：初锻造温度1100～1200℃，锻造比大于5，锻后空冷至室温。

热处理工艺为：首先在1200-1250℃下保温30min-60min后直接淬火至室温，再经500℃/8h时效，冷却方式均为水冷。

采用所述方法制备得到的氮化物强化高熵合金，其特征在于：所得氮化物强化高熵合金基体中固溶V、Nb及N元素，且晶粒内部存在纳米级的氮化物析出。