[发明专利]一种强塑性匹配耐蚀性能优异的低成本共晶高熵合金及其冶炼方法

说明书

本发明属于合金材料设计及制备技术领域，具体涉及一种强塑性匹配耐蚀性能优异的低成本共晶高熵合金及其冶炼方法。共晶高熵合金由Al、Co、Cr、Fe和Ni元素组成，合金通式为AlCo_1‑xCrFe_1+x/2Ni_2.1+x/2，其中：0＜x≤1，x为所述元素的摩尔比。本发明通过利用铁镍元素等比例替代AlCoCrFeNi_2.1合金中的钴元素，使得合金的价电子浓度值保持不变，准确地控制合金的组织为共晶组织。共晶高熵合金具有良好的铸造性能，强塑性匹配且耐蚀性能优异，可作为腐蚀介质环境下使用的泵阀、螺旋桨、冷凝器以及海水管系等关键金属部件结构材料。另外，本发明高熵合金的冶炼方法简单易行，便于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于合金材料设计及制备技术领域，具体涉及一种强塑性匹配耐蚀性能优异的低成本共晶高熵合金及其冶炼方法，该高熵合金具有组织可控、强塑性匹配、耐蚀性能优异等特点，可作为腐蚀介质环境下使用的泵阀、螺旋桨、冷凝器以及海水管系等关键金属部件结构材料。

背景技术

传统金属材料通常是以一种或者两种合金元素作为主元，添加其他微量元素以调节合金的组织及性能，这种合金设计理念使得传统金属材料的成分主要集中在相图的角落以及边界部分，限制了合金的成分设计范围。高熵合金作为一种新型的合金设计理念，通常以四种及四种以上合金元素作为主元，使得合金成分的设计区域由合金相图的边角部分拓展到相图的中间区域，大大地拓展了合金的成分设计范围。得益于合金独特的成分设计理念，高熵合金展现出热力学上的“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”以及性能上的“鸡尾酒效应”，合金进而表现出一系列优于传统材料的性能，比如：良好的强塑性匹配以及抗高温软化能力、优异的低温力学性能、耐腐蚀性能和抗磨损性能以及良好的抗辐照性能，使其具备成为新型结构材料的潜力。由于热力学上的高熵效应，合金通常表现出简单的相结构比如单相FCC结构、单相BCC结构以及单相HCP结构。研究表明，单相FCC结构的高熵合金的塑性优异而往往强度不足，单相BCC结构的高熵合金往往具有较高的强度而塑性较差。同时，以固溶体为主要结构的高熵合金铸造流动性差，难以补缩，大体积铸锭的宏观和微观偏析严重，进一步限制了高熵合金的工业化应用。

共晶高熵合金是指用共晶合金的理念设计的高熵合金，合金既具有高熵合金的特性又具有共晶合金的特点。共晶合金是在恒温转变下获得，理论上没有凝固温度范围，在凝固过程中阻碍液体流动的枝晶大大减少，使得合金具有良好的流动性，改善了合金的铸造性能，减少了偏析和缩孔等凝固缺陷的出现。共晶合金一般具有规则排列的层状或棒状结构，因此可以被看作一种原位自生的复合材料，这种独特的结构不仅能够协调改善材料的机械性能，同时还可能赋予材料特殊的光学效应、电磁效应、磁电和其他叠加效应等物理特性，展现了广阔的应用前景。自从共晶高熵合金的概念被提出后，大量的共晶高熵合金体系被开发，其中研究最广泛的合金体系为AlCoCrFeNi_2.1，该合金在低温、室温以及高温条件下均具有良好的强塑性匹配，同时在海水介质中的耐蚀性能与某些不锈钢相当，远远超过铜合金的耐蚀性能，因此有望取代铜合金在舰船结构部件上得到应用，比如：螺旋桨、泵阀、冷凝器以及海水管系等关键金属部件结构材料。

AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金虽然综合性能优异，但该合金钴的质量分数高达18.59％，在很大程度上限制了该合金大规模地应用推广，比如：舰船用螺旋桨重量高达几吨乃至几十吨，高质量分数的钴元素势必会增加生产应用成本。因此，设计开发一种强塑性匹配、耐蚀性能优异的低成本共晶高熵合金可节约钴资源，符合资源可持续发展的要求，同时进一步促进共晶高熵合金在实际工程领域得到应用，具有重要的学术价值和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种强塑性匹配耐蚀性能优异的低成本共晶高熵合金及其冶炼方法，设计的高熵合金具有良好的铸造性能和力学性能，耐蚀性能优异，可广泛应用于石油、化工、冶金等领域。尤其适合用作海洋介质环境下舰船使用的泵阀、螺旋桨、冷凝器以及海水管系等关键金属部件结构材料。该冶炼方法简单易行，便于工业化大规模生产。