[发明专利]一种基于价电子浓度值的高熵合金及其制备方法和应用

说明书

本发明属于合金材料设计及制备技术领域，具体涉及一种基于价电子浓度值的高熵合金及其制备方法和应用。本发明的高熵合金由Al、Co、Cr、Fe和Ni元素组成，合金通式为AlCo_xCrFe_yNi_z，其中：0≤x＜1，1＜y≤2和2.1＜z≤3.1，并且x+y+z＝4.1，x、y、z分别为所述元素的摩尔比。本发明的高熵合金设计方法根据合金的价电子浓度值调节合金中的元素种类和含量，从而准确地控制合金的组织。高熵合金具有良好的铸造性能和力学性能，耐蚀性能优异，可作为海洋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，本发明高熵合金的制备方法简单易行，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，具体涉及一种基于价电子浓度值的高熵合金及其制备方法和应用，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，可作为海洋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

近年来，世界各国对海洋资源以及极地资源的争夺日趋激烈，而作为航道开辟、自然资源开采以及运输的必要设备，海洋舰船以及极地破冰船是各国推进深海战略以及极地战略的重要抓手，具有重要的战略地位。在海洋介质中服役的金属结构部件，比如舰船用螺旋桨、冷凝器、海水管系以及泵阀等，一般都需要具备以下性能：良好的强塑性匹配以及抗腐蚀疲劳性能；较高的耐海水腐蚀和抗空泡腐蚀性能；良好的铸造性能以及加工性能。随着舰船不断向高速化、专业化、大型化和自动化方向发展，对舰船用材料的要求愈来愈高。比如，舰船螺旋桨现在大都采用镍铝青铜合金，但该材料存在强度低以及耐蚀性能不足的缺点，而不锈钢材料必须经过轧制以及后续热处理才能达到性能要求，但舰船螺旋桨要求直接铸造成型，因而市面上现有的不锈钢也难以满足使用需求。因此，亟需设计一种铸态下具有良好的强塑性匹配能力并且耐海水腐蚀的新型金属材料以满足海洋介质环境用结构部件的使用需求。

高熵合金打破了传统合金的设计理念，采用四种及四种以上合金元素作为主元，使得合金成分设计由相图的边界拓展到相图中间区域，大大地拓展了合金的成分设计范围。由于独特的成分设计理念，高熵合金具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应以及“鸡尾酒”效应四大特性，合金也因此表现出优于传统金属材料的独特性能。在现有的高熵合金体系中，Al-Co-Cr-Fe-Ni体系由于原料简单易得、力学性能以及耐蚀性能优异而被广泛研究，该合金体系也有望在海洋介质环境服役的结构部件中得到应用。由于高熵合金的“鸡尾酒”效应，Al-Co-Cr-Fe-Ni合金体系中元素种类以及含量的变化将导致合金组织发生明显变化，而目前缺乏行之有效的合金设计方法对合金的组织进行预测控制。因此，开发一种基于经验参数的高熵合金设计方法能够准确地控制合金的组织，从而能够根据实际服役环境对合金组织进行设计，提高合金的设计效率，促进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基于价电子浓度值的高熵合金及其制备方法和应用，利用本发明的高熵合金设计方法可准确地控制合金的组织，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。该制备方法简单易行，便于工业化大规模生产。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于价电子浓度值的高熵合金，利用价电子浓度值作为合金设计的经验参数，高熵合金由Al、Co、Cr、Fe和Ni元素组成，合金通式为AlCo_xCrFe_yNi_z，其中：0≤x＜1，1＜y≤2和2.1＜z≤3.1，并且x+y+z＝4.1，x、y、z分别为所述元素的摩尔比。