一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法

本发明涉及零膨胀金属领域，尤其涉及一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、自然界中的多数材料具有热胀冷缩的性质，即随着温度升高，体积膨胀。然而，对于一些小型、微型的电子元器件，如高度集成的芯片，其尺寸精度极为重要，高尺寸精度保证了其不产生内应力，进而不会发生开裂等情况，从而决定其使用寿命，因此需要寻求一种零膨胀的特殊材料。同时，为了兼具电子元器件的导电性、导热性、强韧性等综合性质，本发明选择金属材料作为发明对象。

2、高熵合金由于具有优异的强韧性、导电性、导热性和易加工性质被广泛关注，其中crfeconi高熵合金表现出极其优异的低温和室温强韧性，适用于小型和微型电子元器件，然而其热膨胀系数较高，约为14*10-6k-1，达不到零膨胀使用需求，因此需要寻求一种新的办法降低其热膨胀。在金属中引入具有负热膨胀特性的金属化合物，从而抵消金属本身的正热膨胀是一种有效的办法，该方法已经在纯fe中得到证实，yu等人(nat commun 12,4701(2021).)在纯fe中加入稀土元素ho，制备获得双相共晶合金，形成α-fe相和具有负热膨胀性质的ho2fe17金属化合物，从而获得了具有零膨胀特性的双相合金。然而高熵合金的主元组成复杂，主元之间存在交互作用，与纯金属的凝固过程有着显著区别，因此相形成也存在较大区别。本发明依据这一点，基于共晶反应，引入负热膨胀金属化合物，设计具有零膨胀的双相高熵合金。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法，使之具备导电性、导热性、强韧性的同时，具有零膨胀性能。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本发明提供了一种零膨胀双相高熵合金，其成分为crfeconinbxzry，其中cr、fe、co、ni、nb、zr原子比为1:1:1:1:x:y，x+y处于0.10～0.65范围之间。

4、在以上技术方案的基础上，优选的，20％≤x/(x+y)≤30％，70％≤y/(x+y)≤80％。

5、在以上技术方案的基础上，优选的，所述高熵合金的微观组织为共晶组织，双相为fcc相和laves相，呈现出层片状交替分布特征，其中laves相中富集nb和zr元素，fcc相中富集cr、fe、co和ni四种元素。

6、进一步优选的，fcc相的体积分数为40％～60％，laves相的体积分数为40％～60％。

7、在以上技术方案的基础上，优选的，其热膨胀系数0.5×10-6～2×10-6k-1，零膨胀温度区间为-110～-80℃，在10～25℃的屈服强度为1.0～1.5gpa。

8、第二方面，本发明提供了第一方面所述零膨胀双相高熵合金的制备方法，包括以下步骤：采用真空电弧熔炼或真空感应熔炼纯金属原材料，并使用铜模滴铸成金属铸锭。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，包括以下步骤：在1000～1250℃之间，真空均匀化处理6～24小时，最后在10～25℃进行水淬。

10、本发明的零膨胀双相高熵合金及其制备方法相对于现有零膨胀金属材料具有以下有益效果：

11、(1)本发明选取了crfeconi高熵合金材料作为基体合金，该合金与现有的纯fe相比，性能上，具有更高的强度和韧性，更适用于小型和微型的结构器件；成分上，高熵合金的主元组成复杂，在凝固过程中，主元元素之间产生交互作用，影响相形成过程，因此比纯金属更为复杂，综合以上，高熵合金具有更为优异的综合性能；

12、(2)在crfeconi的基础上，加入nb和zr元素，使得高熵合金内形成fcc相和laves相层片状交替分布的共晶组织，fcc相作为韧性基体，而laves相具有负热膨胀特性，同时，调控fcc的体积分数介于40％～60％之间，laves相的体积分数介于40％～60％之间，最终高熵合金实现零膨胀特性，其中热膨胀系数为0.5×10-6～2×10-6k-1，温度区间为-110～-80℃。

技术特征：

1.一种零膨胀双相高熵合金，其特征在于：其成分为crfeconinbxzry，其中cr、fe、co、ni、nb、zr原子比为1:1:1:1:x:y，x+y处于0.10～0.65范围之间。

2.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：20％≤x/(x+y)≤30％，70％≤y/(x+y)≤80％。

3.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的微观组织为共晶组织，双相为fcc相和laves相，呈现出层片状交替分布特征，其中laves相中富集nb和zr元素，fcc相中富集cr、fe、co和ni四种元素。

4.如权利要求3所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：fcc相的体积分数为40％～60％，laves相的体积分数为40％～60％。

5.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：其热膨胀系数约为0.5×10-6～2×10-6k-1，零膨胀温度区间为-110～-80℃，在10～25℃的屈服强度为1.0～1.5gpa。

6.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：采用真空电弧熔炼或真空感应熔炼纯金属原材料，并使用铜模滴铸成金属铸锭。

7.如权利要求6所述的零膨胀双相高熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：在1000～1250℃之间，真空均匀化处理6～24小时，最后在10～25℃进行水淬。

技术总结
本发明提出了一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法，属于新材料设计领域。本发明设计出CrFeCoNiNbxZry高熵合金，并采用真空电弧熔炼或感应熔炼手段制备出金属铸锭，成功在具有正热膨胀系数的CrFeCoNi基体合金中引入具有负热膨胀系数的(Zr,Nb)M2(M＝Cr,Fe,Co,Ni)型金属化合物，实现了合金的零膨胀特性。本发明通过双相结构设计，有效解决了高熵合金热膨胀系数过高的难题，其热膨胀系数为0.5×10<supgt;‑6</supgt;～2×10<supgt;‑6</supgt;K<supgt;‑1</supgt;，零膨胀温度区间约为‑110℃～‑80℃，适用于尺寸精度较高的小型、微型电子元器件。

技术研发人员：刘鑫旺,高妞,尹正豪,王亚松,姚俊卿,施洋
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15