一种多主元高熵合金及其制备方法与流程

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种多主元高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1995年，中国台湾学者叶均蔚研究小组突破传统合金设计理念提出多主元高熵合金的概念，把高熵合金定义为由五种或五种以上主要元素构成，每种元素的摩尔分数在5%-35%范围之内，然后经过一定合成的工艺而形成的合金。大量的实验研究表明，与会形成金属间化合物或者其他复杂的相的传统合金不同，高熵合金会产生高熵效应抑制金属间化合物的形成，从而促进元素混合形成简单相结构的固溶体（主要是fcc（facecentercubic/face-centeredcubic，面心立方晶格）或者bcc（body-centeredcubicstructure，体心立方晶格）结构），有些成分的高熵合金还会析出纳米相甚至非晶态结构。与传统合金相比，高熵合金除了会产生高熵效应外，还有原子扩散缓慢效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。所以，新兴的高熵合金在一些性能方面优于传统合金，比如硬度、强度、耐腐蚀性、加工硬化、抗高温软化性等。可见，高熵合金作为一种革新的材料具有很大的应用前景。

经过二十年的探索研究，多主元高熵合金的学术理论和实际应用得到了大力的发展。目前，多主元高熵合金的研究主要涉及优化合金成分，相形成机理，各主元素含量对合金组织结构、力学性能的影响，以及不同加工和热处理工艺对合金组织和性能的影响。另外，研究学者们为提高合金的性能、实际应用等，采用多种不同的制备方法制备/研究多主元高熵合金，及研究其制备方法对合金的影响，如：真空电弧炉熔炼、机械化合金、激光熔覆等。

优化合金的性能是学者们研究合金的主要目的及意义。在已报道的研究中发现具有高塑性的高熵合金体系，其强度却很低，而强度相对较高的高熵合金体系，但其塑性却比较差。随着工业对合金性能要求的越来越高，尤其是对同时兼备高强度和易于加工的合金的应用需求更加广泛，以此，开发兼具高塑性和高强度的多主元高熵合金迫在眉睫。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种多主元高熵合金及其制备方法，得到的多主元高熵合金同时具备优异的强度和塑性。

本发明提供的技术方案如下：

一种多主元高熵合金，该多主元高熵合金的成分为feacobnicaldcue，其中，a、b、c、d及e分别代表各元素对应的摩尔比，且0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0。

进一步优选地，所述多主元高熵合金选用的fe、co、ni、al和cu原材料均为纯度大于99.99%的粒状/块状原料。

本发明还提供了一种多主元高熵合金制备方法，包括：

s1根据多主元高熵合金中各元素的摩尔比，称取相应重量的fe、co、ni、al和cu原材料，其中，各元素的摩尔比分别为0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0；

s2将称好的原材料和钛锭分别放入熔炼炉中的铜坩埚内进行熔炼得到合金成分为feacobnicaldcue的多主元高熵合金铸锭。

进一步优选地，所述熔炼炉为真空电弧熔炼炉。

进一步优选地，在步骤s2中具体包括：

s21将熔炼炉清洗干净后将称好的原材料和钛锭分别放入熔炼炉中的铜坩埚内；

s22用机械扩散泵将熔炼炉内抽取真空，进一步用分子扩散泵进一步抽真空直到真空值达到第一预设值停止；

s23向熔炼炉内充入高纯度氩气直至熔炼炉内真空值达到第二预设值停止；

s24开启电磁搅拌器，将钛锭熔炼一到两次；

s25加入称好的原材料反复熔炼多次直至均匀，完成熔炼。

在本发明提供的多主元高熵合金及其制备方法中，能够带来以下有益效果：

1）该多主元高熵合金具有良好的塑性，同时可获得了更高的强度，力学性能优异；

2）该制备方法工艺简单，成本较低，可操作性强，适合工业化生产。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为两个实例得到的多主元高熵合金的x射线衍射xrd谱图；

图2为实施例1中多主元高熵合金feconialcu的金相照片；

图3为实施例1中多主元高熵合金feconialcu扫描电镜图；

图4为实施例2中多主元高熵合金feconialcu1.5的金相照片；

图5为实施例2中多主元高熵合金feconialcu1.5扫描电镜图；

图6为两个实例得到的多主元高熵合金的压缩应力-应变曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明提供了一种多主元高熵合金，具体，该多主元高熵合金的成分为feacobnicaldcue，其中，a、b、c、d及e分别代表各元素对应的摩尔比，且0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0。在一实例中，a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0和1.0≤e≤1.5，即得到的多主元高熵合金为feconialcu1-1.5。

在制备该多主元高熵合金的方法中，包括：

（1）原料前处理，将合金原料置于烧杯中，倒入低溶度的盐酸溶液，除去其表面的氧化层，待氧化层完全除去后再原料放入装有乙醇的烧杯中并将烧杯置于超音波清洗仪中清洗一定时间，如10分钟；然后更换乙醇再清洗一定时间，如5分钟，最后用电吹风机将原材料烘吹干，以备熔炼使用。

（2）配料，根据多主元高熵合金的摩尔比，用电子天平精确的称量fe、co、ni、al和cu原材料（纯度大于99.99%的粒状/块状原料）并混合。

（3）熔炼合金，先清除炉内异物，并用无水乙醇将熔炼炉内的铜坩埚及其内壁擦洗干净，然后打开循环冷却水系统，随后将称量好的混合原料及钛锭分别放入炉内的铜坩埚中，关紧炉门。用机械扩散泵将炉体抽取低真空至一定值，如10pa（帕），然后利用分子扩散泵抽取高真空至第一预设值，如2.5×10-3pa；然后关闭相应的阀门，打开充气阀门，开始向炉内通入高纯度氩气，待炉内的大气压力回升至大约为第二预设值，如0.5pa时，关闭充气阀停止通氩气。然后开始熔炼，将电极降至离坩埚1-2mm处引弧，再把电极提升到合适的位置，然后慢慢加大电流至230~280a进行熔炼，同时开启电磁搅拌器，在熔炼试样之前先将钛锭熔炼一到两次，进一步降低炉内含氧量；再将每个合金试样反复翻转熔炼多次，如4次至均匀，并且合金每次熔炼时间为3min到4min。熔炼结束后，关闭电源，待合金冷却约10min后，开启放气阀，打开真空熔炼炉炉门即可得到纽扣状的兼具高塑性和高强度的多主元高熵合金铸锭。

以下实施例中所使用的高真空电弧熔炼炉为中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的dhl-300型高真空电弧熔炼炉。

对所得多主元高熵合金的力学性能测试和组织结构的表征信息如下：

(1)物相分析：采用德国brukerd-8fucus型x射线衍射仪进行物相分析，工作电压为40kv，扫描速度4s/步，步长0.02°，衍射角范围20°-100°。

(2)微观组织：采用mef3型金相显微镜和日本feiquanta200f扫描电子显微镜进行微观组织观察。

(3)室温压缩性能测试：采用mts型电子万能试验机进行室温压缩试验，测试试样依据金属材料室温压缩试验方法(gb/t7314-2005)国家标准中有关规定制成长方体且高宽比确定为2:1，本发明的测试试样的规格为3mm×3mm×6mm，应变率1×10^-4。

以下实施例中所述fe、co、ni、al和cu原材料的纯度均为99.99%。

实施例1

该多主元高熵合金的成分为feconialcu，即a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0、e=1，具体步骤如下：

步骤1：将合金原料置于烧杯中，倒入低溶度的盐酸溶液，除去其表面的氧化层，待氧化层完全除去后再原料放入装有乙醇的烧杯中并将烧杯置于超音波清洗仪中清洗10分钟，然后更换乙醇再清洗5分钟，最后用电吹风机将原材料烘吹干，以备熔炼使用。

步骤2：根据多主元高熵合金的摩尔比，用电子天平精确的称量fe、co、ni、al和cu原材料并混合。

步骤3：先清除炉内异物，并用无水乙醇将熔炼炉内的铜坩埚及其内壁擦洗干净，然后打开循环冷却水系统，随后将称量好的混合原料及钛锭分别放入炉内的铜坩埚中，关紧炉门。用机械扩散泵将炉体抽取低真空至10pa，然后利用分子扩散泵抽取高真空至2.5×10^-3pa；然后关闭相应的阀门，打开充气阀门，开始向炉内通入高纯度氩气，待炉内的大气压力回升至大约为0.5pa时，关闭充气阀停止通氩气。然后开始熔炼，将电极降至离坩埚1-2mm处引弧，再把电极提升到合适的位置，然后慢慢加大电流至230~280a进行熔炼，同时开启电磁搅拌器，在熔炼试样之前先将钛锭熔炼一到两次，进一步降低炉内含氧量，再将每个合金试样反复翻转熔炼4次至均匀，并且合金每次熔炼时间为3min到4min。熔炼结束后，关闭电源，待合金冷却约10min后，开启放气阀，打开真空熔炼炉炉门即可得到纽扣状的兼具高塑性和高强度的多主元高熵合金铸锭。

采用线切割机在所得feconialcu合金铸锭进行切割，切取若干份尺寸为3mm×3mm×6mm的试样，分别作为金相试样、xrd（x-raydiffraction，x射线衍射）试样和压缩试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，用240#砂纸对xrd试样和压缩试样进行粗磨，之后用无水乙醇对xrd试样和压缩试样进行超声清洗，得到feconialcu高熵合金待测试样，之后：

对所述feconialcu高熵合金xrd试样进行物相分析，其x射线衍射（xrd）谱图如图1所示，可知feconialcu高熵合金由面心立方（图示中fcc）和体心立方（图示中bcc）固溶体相组成。

对所述feconialcu高熵合金金相试样进行微观组织分析，其金相照片如图2所示，扫描电镜（sem）如图3所示，可知，合金为典型的树枝晶组织。

对所述feconialcu高熵合金压缩试样进行室温压缩力学性能测试，其压缩应力-应变曲线如图6所示，可知feconialcu高熵合金的室温压缩屈服强度为882mpa，抗压强度为1481mpa，压缩应变为18.9%。

实施例2

该多主元高熵合金的成分为feconialcu1.5，即a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0、e=1.5，具体步骤如下：

步骤1：将合金原料置于烧杯中，倒入低溶度的盐酸溶液，除去其表面的氧化层，待氧化层完全除去后再原料放入装有乙醇的烧杯中并将烧杯置于超音波清洗仪中清洗10分钟，然后更换乙醇再清洗5分钟，最后用电吹风机将原材料烘吹干，以备熔炼使用。

步骤2：根据多主元高熵合金的摩尔比，用电子天平精确的称量fe、co、ni、al和cu原材料并混合。

步骤3：先清除炉内异物，并用无水乙醇将熔炼炉内的铜坩埚及其内壁擦洗干净，然后打开循环冷却水系统，随后将称量好的混合原料及钛锭分别放入炉内的铜坩埚中，关紧炉门。用机械扩散泵将炉体抽取低真空至10pa，然后利用分子扩散泵抽取高真空至2.5×10^-3pa；然后关闭相应的阀门，打开充气阀门，开始向炉内通入高纯度氩气，待炉内的大气压力回升至大约为0.5pa时，关闭充气阀停止通氩气。然后开始熔炼，将电极降至离坩埚1-2mm处引弧，再把电极提升到合适的位置，然后慢慢加大电流至230~280a进行熔炼，同时开启电磁搅拌器，在熔炼试样之前先将钛锭熔炼一到两次，进一步降低炉内含氧量，再将每个合金试样反复翻转熔炼4次至均匀，并且合金每次熔炼时间为3min到4min。熔炼结束后，关闭电源，待合金冷却约10min后，开启放气阀，打开真空熔炼炉炉门即可得到纽扣状的兼具高塑性和高强度的多主元高熵合金铸锭。

采用线切割机在所得feconialcu1.5合金铸锭进行切割，切取若干份尺寸为3mm×3mm×6mm的试样，分别作为金相试样、xrd试样和压缩试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，用240#砂纸对xrd试样和压缩试样进行粗磨，之后用无水乙醇对xrd试样和压缩试样进行超声清洗，得到feconialcu1.5高熵合金待测试样，之后：

对所述feconialcu1.5高熵合金xrd试样进行物相分析，其x射线衍射谱图如图1所示，可知feconialcu1.5高熵合金由面心立方（图示中fcc）和体心立方（图示中bcc）固溶体相组成。

对所述feconialcu1.5高熵合金金相试样进行微观组织分析，其金相照片如图4所示，扫描电镜如图5所示，可知，合金为典型的树枝晶组织。

对所述feconialcu1.5高熵合金压缩试样进行室温压缩力学性能测试，其压缩应力-应变曲线如图6所示，可知feconialcu1.5高熵合金的室温压缩屈服强度为689mpa，抗压强度为1302mpa，压缩应变为36.1%。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。