[发明专利]一种中高熵合金材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种中高熵合金材料的制备方法。该方法将纯金属作为外包皮，金属合金作为芯材制备复合金属丝材，然后利用3D打印增材制造技术制备出中高熵合金坯料，即得中高熵合金材料，或根据实际合金熔点，将中高熵合金坯料进行固溶热处理，得到中高熵合金材料。本发明方法具有制备方法简便、工艺快捷、研发设计高效等特点。

技术领域

本发明属于高强韧合金材料领域，具体涉及一种中高熵合金材料的制备方法。

背景技术

相比传统合金材料，高熵合金自2004年首次提出并研发至今，因其室温下强度高、强韧性好，在高温下具有优良的力学性能以及低温下较高的断裂韧性和热稳定性等特点，有望在航空航天、化工、能源等工业领域获得大量应用。一般高熵合金设计不低于4元合金系，而中熵合金则以3元系合金居多；每种合金元素以等摩尔或近等摩尔比例(原子百分比约在5％～35％之间)混合；按晶体结构中高熵合金可分为体心立方(BCC)、面心立方(FCC)和密排六方(HCP)。目前高熵合金主要采用粉末冶金、放电等离子烧结、电弧熔炼、激光熔覆、磁控溅射等方法制备，上述方法所用设备体积较大或设备投资成本高，其中所用粉末等原料价格较贵(一些合金粉末无法生产或质量较差)，生产工序复杂、周期较长；若考虑设备运行经济性，每次投料数量也不能太少。因此，上述传统制备方法显然不利于快速设计和研发新的中高熵合金材料。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种中高熵合金材料的制备方法。

本发明采用纯金属和合金管材或丝材复合而成的丝材原料，利用丝材3D打印机先预制成中高熵合金初始母坯，然后通过后续塑性加工及热处理的定型和定性，从而可以快速高效、低成本地用于上述特种材料的成分设计、性能筛选和研发定型，进而满足高低温等复杂工况环境下的航空航天等重大工程领域用材料研发及应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种中高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纯金属作为外包皮，金属合金作为芯材制备复合金属丝材，复合金属丝材由3～8种金属元素构成，各金属元素的原子百分占比在5～35％之间；

(2)在氮气或惰性气体保护下，将复合金属丝材通过3D打印制备中高熵合金坯料，其中电弧焊枪电极与被加工工件表面距离为1～5mm；

(3)步骤(2)所得中高熵合金坯料即为中高熵合金材料，或者在氮气或惰性气体氛围或真空条件下，将步骤(2)的中高熵合金坯料在800～1200℃进行固溶热处理1～2h，得到高熵合金材料。

步骤(3)所述固溶热处理的目的在于保证含高熔点的多元合金元素二次充分固溶以及原始晶粒尺寸和分布均匀化，因此可根据实际需要，对于熔点较高的合金进行步骤(3)的固溶热处理。

优选地，步骤(1)所述复合金属丝材的直径为1.0～3.0mm。

优选地，步骤(1)所述各金属元素的原子百分占比在11～33％之间。

优选地，步骤(1)所述纯金属为钛、镍、铁、铜、铝、钽和铌中的一种，所述芯材用的金属合金元素为钛、铬、锰、铝、镍、钽、钒、钨、钼、锆、铪、钴和铌中的至少两种。

更优选地，当步骤(1)所述纯金属为钛、镍、铁、铜和铝中的一种，所述芯材用的金属合金元素为钛、镍、钴、钒、锆、锰、铬和铝中的至少两种；或者当步骤(1)所述纯金属为钛，所述芯材用的金属合金元素为钒、锆、钽、钨、钼、铌和铪中的至少两种时；或者当步骤(1)所述纯金属为钽和铌中的一种，所述芯材用的金属合金元素为钛、钽、钒、钨、钼和铌中的至少两种时；且高熵合金坯料组成元素不能同时为钛锆铪铌钽时；步骤(2)所得中高熵合金坯料即为中高熵合金材料，无需后续热加工和固溶热处理。

优选地，步骤(1)所述纯金属的纯度≥99.5％。