[发明专利]一种弥散强化高强高温高熵合金及其制备方法

说明书

本发明涉及金属结构材料领域，具体涉及一种弥散强化高强高温高熵合金及其制备方法。本发明的合金成分为：Fe 10 at%~15 at%、Co 15 at%~25 at%、Cr 5 at%~10 at%、Al 8 at%~13 at%、Ti 5 at%~10 at%、C 0.02 at%~0.05 at%、B 0.02 at%~0.05 at%、Ni余量，制备方法包括磁悬浮感应炉真空熔炼、固溶处理、时效处理等步骤。本发明的高强高温高熵合金由FCC（体心立方）相（γ）基体、Ni₃Al纳米沉淀相（γ`）及碳化物组成，950℃具有325 MPa抗拉强度和17%塑性变形量的优异综合高温力学性能；通过加入B、C元素，细化了晶粒，并且在晶界处形成碳化物提高了合金强度；通过固溶时效处理，合金中生成弥散分布的Ni<sub>3</sub>Al纳米沉淀相（γ`），能够大幅提高合金的高温力学性能。

技术领域

本发明涉及金属结构材料领域，具体涉及一种弥散强化高强高温高熵合金及其制备方法。

背景技术

随着航空、航天、核工业、汽车、化工等领域快速发展，对涡轮盘、包壳、热交换器、尾喷管等部件的高温性能以及轻量化提出了更高要求。在现有技术中，镍基、钴基高温合金是目前650 ℃以上温度使用的最广泛的高温材料，但密度较高（＞8 g/cm3），且大部分体系长期使用温度很难超过1100 ℃。目前，有希望替代传统镍基、钴基高温合金的材料主要有：Nb-Si基高温合金、C-C基复合材料、陶瓷材料和铂族金属。然而，Nb-Si基高温合金和C-C基复合材料抗高温氧化性能差的问题一直未解决；陶瓷材料脆性较大、加工性能差；铂族金属价格昂贵且密度较大。由此可见，需要设计和开发新型耐高温、轻质的高性能、650 ℃以上温度使用的新材料。

高熵合金（High-entropy alloy, HEA）作为一种新兴的多主元合金材料，使用5种或以上金属元素，以同等或近乎同等摩尔分数构成，有广阔的成分设计空间，并且独特的结构使其具有优异的综合性能。目前研究最多的高熵合金是3d过渡族系列高熵合金（TMHEAs）和难熔系列高熵合金（RHEAs）。3d过渡族系列高熵合金由Fe、Cr、Co等过渡族元素组成，该系列高温高熵合金具有较低的密度（＜7.2 g/cm3）、良好的抗腐蚀性能和室温力学性能、优良的加工性能等优点，成为能够在650-1100 ℃使用，替代传统高温合金的理想材料。

然而，FeCrCo系3d过渡族高熵合金虽然在室温下的综合性能优异，但是单一的固溶体结构使其在高温环境下力学性能下降明显，研究结果表明该体系合金在950 ℃高温环境下的抗拉强度不到300 MPa，远低于传统高温合金，高温力学性能较差是限制其广泛使用的主要原因。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明公开了一种弥散强化高强高温高熵合金，具体包括以下内容：

一种弥散强化高强高温高熵合金，其特征在于，包括以下成分：Fe 10 at%~15at%、Co 15 at%~25 at%、Cr 5 at%~10 at%、Al 8 at%~13 at%、Ti 5 at%~10 at%、C 0.02at%~0.05 at%、B 0.02 at%~0.05 at%、余量为Ni和不可避免的杂质，上述均为原子百分比。

具体地，包括以下成分：Fe 11 at%~14 at%、Co 18 at%~22 at%、Cr 6 at%~8 at%、Al 9 at%~12 at%、Ti 5 at%~8 at%、C 0.03 at%~0.04 at%、B 0.03 at%~0.04 at%、余量为Ni和不可避免的杂质，上述均为原子百分比。

具体地，所述高强高温高熵合金在铸态下的微观结构由面心立方相γ基体、Ni3Al纳米沉淀相γ’以及碳化物组成。

具体地，所述高强高温高熵合金通过磁悬浮感应熔炼技术制备。

具体地，所述高强高温高熵合金后续通过固溶、时效处理产生纳米沉淀相。