[发明专利]一种极难熔高熵合金及合成方法

说明书

本发明涉及一种极难熔高熵合金及合成方法，设计了一种由五个熔点最高的金属形成的极难熔高熵合金WReTaMoNb(按照熔点高低顺序排列)，并提出用静电悬浮条件下的快速凝固技术实现它的合成，改变快速凝固工艺参数促进该高熵合金无序固溶体的形成。通过改变过热程度来提高过冷度，从而实现快速凝固，最大晶体生长速度达25m/s。由于改变了过冷度这个工艺参数，从107K提高到超过400K，使得微观偏析显著减少，得到了成分分布均匀的固溶体相。通过扫描电子显微镜和电子探针分析，凝固组织和元素分布均匀，不存在显著的微观偏析，形成了无序的固溶体相。

技术领域

本发明属于高熵合金领域，涉及一种极难熔高熵合金及合成方法。

背景技术

高熵合金的概念首先由叶均蔚教授于2004年提出，不同于传统的合金设计理念，由多个组元按照等原子比或接近等原子比形成合金。多个组元带来的高熵效应在一定程度上避免了金属间化合物的形成，易于形成结构单一的固溶体。这使得高熵合金有优异的性能，是合金材料领域的研究热点。

一类由难熔金属如Zr(熔点1855℃)、V(1910℃)、Hf(2233℃)、Nb(2477℃)、Mo(2623℃)、Ta(3017℃)、Re(3186℃)、W(熔点3422℃)等组成的难熔型高熵合金受到越来越多的关注和研究。难熔高熵合金具有高熔点，优异的高温强度和耐腐蚀性能等优势，有望作为新型合金应用于航空航天领域。

2010年，美国O.N.Senkov博士首先设计并合成了等原子比NbMoTaW和VNbMoTaW两种高熵合金。“Refractory high-entropy alloys[J]，Intermetallics 18，2010”和“Mechanical properties of Nb₂₅Mo₂₅Ta₂₅W₂₅ and V₂₀Nb₂₀Mo₂₀Ta₂₀W₂₀ refractory highentropy alloys[J]，Intermetallics 19，2011”。除属于密排六方结构的金属Re外，上述难熔金属在高温下都是体心立方结构。结构的差异容易导致金属间化合物的出现，因此为了得到单一的固溶体相，难熔高熵合金的设计中都不包含Re。

在难熔金属中，W、Ta、Mo、Nb、V均为体心立方结构，Hf和Zr存在BCC-HCP的转变。因此，在NbMoTaW四元中/高熵合金的基础上添加金属Re形成的是由五个熔点最高的金属组成的极难熔高熵合金。但是，由于Re与其他四个元素之间有强烈的化学键合作用，容易形成非常稳定的金属间化合物Laves相。因此，WReTaMoNb高熵合金很有可能会形成有序固溶体甚至是金属间化合物相。为了得到单一的无序固溶体相，需采用特殊的方法进行合成。

难熔型高熵合金制备方法主要有真空熔炼和粉末冶金等技术，但是真空熔炼对温度要求很高，且熔炼的合金具有比较严重的成分偏析，特别是对于多组元高熵合金。而采用粉末冶金方法制备难熔高熵合金时对模具要求较高。结合激光加热的静电悬浮技术非常有利于难熔型高熵合金的熔炼。由于静电悬浮不依赖容器和坩埚，而且在高强激光作用下加热温度可达到4000K。此外，无容器消除了容器壁的污染和异质晶核作用，悬浮熔体很容易达到深过冷状态并实现快速凝固。快速凝固可以减少元素偏析，促进高熵合金形成无序的固溶体相。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种极难熔高熵合金及合成方法。本发明设计的由W、Re、Ta、Mo和Nb这5个熔点最高金属组成的高熵合金，并利用静电悬浮技术合成这个高熵合金，得到无序固溶体相。同时测量高熵合金快速凝固的晶体生长速度并测试其力学性能。

技术方案