具有双高熵效应的超高温难熔高熵合金、制备方法及应用

本发明属于高熵合金和耐高温合金材料领域，尤其涉及一种具有双高熵效应的超高温难熔高熵合金、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着现代科学技术的不断进步发展，航空航天以及核工业等对高温材料提出了更严峻的要求。在高温领域，传统的高温合金主要是以镍基、钴基、铁基合金为主，目前研究和应用最多的是镍基高温合金。由于熔点只有1500℃左右，镍基高温合金的最高工作温度可以达到1100℃，而对于更高温度范围内则需要使用难熔金属合金。传统合金难以满足1300℃以上温度范围的高温性能要求，因此迫切需要开发更加优异的高温合金。高熵合金基于多组元的独特设计理念，颠覆了传统的合金设计理念，在高温领域展现出巨大的潜力。基于此，本文主要开发兼具高强度和优良塑性的难熔高熵合金。

2、随着人类在航空航天领域的不断探索，对高温合金的需求日益提高，亟待探索新的高温材料。难熔高熵合金，一般是由熔点大于1600℃的ti，zr，hf，v，nb，ta，cr，mo和w等难熔过渡族金属元素中的四种及以上组成的，具有高熔点，高强度，优异的高温性能，是潜在的高温应用合金材料。2010年，美国学者senkov o.n.等(senkov o n,etal.intermetallics[j],2010,18(9):1758-1765)基于高熵合金的设计理念和难熔金属的高温优势，设计了nbmotaw和vnbmotaw两种高熵合金，并提出了难熔高熵合金的概念。该合金成分在1600℃表现为优异的高温强度，但室温塑性差限制了其进一步应用。

3、为进一步提升nbmotaw系难熔高熵合金的综合力学性能，现有技术中提出通过微量添加b或c在不改变晶体结构的同时，提高该合金晶界的强度，提高合金的室温塑性和高温强度。根据系列研究发现该合金的高温强度虽有一定程度的提高，但由于优化后的合金成分仍保持bcc晶体结构，因此高温强度的提高有限。还有通过向wtamonb难熔高熵合金中引入hf和c使新的合金成分表现为bcc和fcc双相结构，使得室温强度提高至5％，强度超过2000mpa，1600℃的高温强度仅达到510mpa。

4、截至目前，国内外对该体系难熔高熵合金的研究的不断深入及相关应用的迫切需求，追求更高的高温强度是研究的目标之一。因此，开发出在超高服役温度具有高强度的合金体系具有重大的意义。

技术实现思路

1、本发明公开了一种具有双高熵效应的超高温难熔高熵合金、制备方法及应用，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种具有双高熵效应的超高温难熔高熵合金，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nbamobtacwdmecf，其中，m为ti、zr、hf、v、cr、fe、co、ni、ir、ru、re、rh、y、la、al中的至少一种；且各成分的原子百分含量为：0＜a≤35at％，0＜b≤35at％，0＜c≤40at％，0＜d≤40at％，0＜e≤35at％，0<f≤26at％，且a+b+c+d+e+f＝100。

3、进一步，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nbamobtacwdmecfdg，其中，m为ti、zr、hf、v、cr、fe、co、ni、ir、ru、re、rh、y、la、al中的至少一种；d为b、o、n、si、ge中的至少一种，且各成分的原子百分含量为：0＜a≤35at％，0＜b≤35at％，0＜c≤40at％，0＜d≤40at％，0≤e≤35at％，0＜f≤26at％，0≤g≤15at％,且a+b+c+d+e+f+g＝100，f+g＞5at％。

4、进一步，所述超高温难熔高熵合金的具有bcc固溶体相和m2c碳化物相。

5、进一步，所述超高温难熔高熵合金的具有bcc固溶体相和mc碳化物相，且碳化物和固溶体均匀分布。

6、进一步，当a＝24.0，b＝20.0，c＝24.0，d＝20.0，e＝6.0，f＝6.0时，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nb24mo20ta24w20cr6c6，合金在室温强度超过2000mpa，塑性不低于6％，1600℃时的强度达到1000mpa。

7、进一步，当a＝29.5，b＝10.0，c＝29.5，d＝15.0，e＝6，f＝10时，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nb29.5mo10ta29.5w15cr6c10，合金在室温强度超过2000mpa，塑性不低于6％，1600℃时的强度达到1000mpa。

8、进一步，当a＝13.5，b＝13.5，c＝26.0，d＝26.0，e＝2.0，f＝16.0，g＝3.0时，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nb13.5mo13.5ta26w26c16b3hf2；合金在室温强度超过2750mpa，塑性达到6.5％，1600℃时的强度达到2000mpa。

9、进一步，当a＝13.5，b＝13.5，c＝29.0，d＝29.0，e＝2.0，f＝10.0，g＝3.0时，所述超高温难熔高熵合金的原子百分比的表达式为nb13.5mo13.5ta29w29c10b3hf2；合金在室温强度为2580mpa，塑性达到10％，1600℃时的强度达到1700mpa。

10、本发明的另一目的提供一种上述的超高温难熔高熵合金的方法，该方法具体包括以下步骤：

11、s1)采用纯度超过99.9％的冶金纯元素为原料，清除金属元素的氧化层和杂质，并放入乙醇或丙酮中超声清洗，同时分别将大颗粒状b和/或c棒剪成细小的颗粒；

12、s2)按照设计成分的原子比分别计算每种合金和类金属的质量，再进行称量配比，供熔炼制备合金使用；

13、s3)利用nb箔或ta箔将类金属元素包裹或采用nb、ta块体将类金属元素覆盖，置于坩埚中，同时按照合金熔点差异合理摆放其他金属元素；

14、s4)使用真空非自耗钨电极电弧炉熔炼合金，对样品室抽真空，当真空度高于5*10-3pa后，充入工业氩气；根据s3)中合金元素的摆放规则首先炼制预合金，为使该预合金成分均匀分布，将其熔炼至少五遍；再将预合金成分转移至同一坩埚内并熔炼至少五遍，使最终熔成一个所设计成分的合金锭，每次熔炼过程中电弧至少保持2min，同时在每遍熔炼前将铸锭翻转并倾斜38-43°,使最终获得成分均匀的超高温难熔高熵合金。

15、进一步，所述超高温难熔高熵合金在室温强度超过2000mpa，塑性不低于6％，1600℃时的强度达到1000mpa；且能够在800℃-2200℃的高温环境中服役，具有较高的屈服强度和塑性。

16、进一步，所述超高温难熔高熵合金在室温强度不低于2000mpa，塑性不低于5％，1600℃时的强度不低于1000mpa；且能够在800℃-2200℃的高温环境中服役。

17、一种如上述的双高熵协同效应的超高温难熔高熵合金应用于先进航空发动机、重型燃气轮机或高超声速飞行器耐更高温度部位的承温部件。

18、本发明的有益效果是：

19、1.本发明所涉及的一系列高熵碳化物强化nbamobtacwdmecfdg系难熔高熵合金具有优异的室温强度和塑性，具备一定的加工能力，同时在超高温度条件下(1600℃)强度超过1000mpa，因此该系列难熔高熵合金具有优异的综合力学性能。

20、2.通过c含量的变化可灵活调整难熔高熵合金的微观结构(亚共晶-共晶-过共晶)，同时可根据适当的合金化调整形成碳化物的类型和结构。

21、3.本发明所涉及的系列难熔高熵合金的基体金属成分调节范围较宽，可根据不同的实际应用需求进行合理的成分调整，获得满足不同应用场景的合金。

22、4.本发明所制备的系列难熔高熵合金对c、b等类金属元素具有极高的溶解能力，可直接通过电弧熔炼的工艺对块体原料进行直接熔炼，并实现c、b等类金属元素与基体金属的完全融合。无需通过粉末冶金工艺实现大量的碳的合金化，避免其他杂质的影响，显著提高合金的生产效率。