一种多主元Laves基金属间化合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金材料设计领域，更具体地说，涉及一种多主元Laves基金属间化 合物及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 八82型Laves金属间化合物预期使用温度介于镍基高温合金和工程陶瓷之间，是 我国参与国际宇航、武器装备、大功率发动机竞争，具有重大研宄价值的超高温合金待选材 料之一，且其在储氢和电磁材料领域也具有良好的应用前景。目前，Laves相的研制主要集 中在二元和三元合金领域，成分上皆以单一元素为主要元素，即单一组元的含量一般大于 50%，典型的成分主要有NbCr2、TiCr2、ZrCr2、ZrCo2、ZrNi2、Zr(Cr，Fe)2等。
[0003] 中国专利申请日为2000年11月9日，申请公开号为CN1353204A的专利申请文 件公开了一种高乱度多元合金，其是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，含有5 至11种主要金属元素，且每一种主要金属元素的摩尔数与该合金总摩尔数比介于5%至 30%之间。可见，该类合金已脱离了传统以一种元素为主的合金设计理念，其合金成分设计 的目的主要是利用多主元成分高乱度引起的高熵效应，促进凝固后形成简单的fee或bcc 固溶体主要相，获得具有高强度的超饱和固溶体结构。根据合金系统自由能越低越趋于 稳定的热力学原则，该类合金在高温下混乱度变得更大，使其固溶体还具有良好的高温稳 定性能，为新型高温结构金属的研制提供了新的思路。中国专利申请日为2013年4月19 日，申请公开号为CN103194657A的专利申请文件公开了一种具有简单bcc固溶体结构的 熵合金材料及其制备方法，x为摩尔比，x取值范围为0. 5~2,所述合金 材料制备方法为：先将原材料置于丙酮、乙醇溶液中，用超音波震荡器清洗20~30分钟，后 置于50°C烘箱中烘干6小时，再将合金按摩尔比称好，放入水冷铜坩埚内，当炉体内气压达 到3Xl(T3Pa后充入高纯氩气清洗3~5次，再充入高纯氩气使炉腔保持0. 8~0. 9个大气 压后通电，熔炼起弧电流为30~40A，稳定后电流为90A，合金每熔炼一次用时10s，样品需 反复熔炼5次，待熔样成分均匀冷却后取出合金。但已报道的高熵合金性能仍主要取决于 其固溶体基体。由于，bcc或fee体心立方结构的固溶体高温性能与拓扑密排结构的金属 间化合物仍会存在一定的差距，因此，进一步突破多主元高乱度合金简单固溶体结构的设 计限制，开发一种具有高熵效应的新型金属间化合物，在合金设计领域不仅具有开拓性和 前瞻性，而且对工业上高温结构材料领域的需求与应用无疑具有重要的价值。
【发明内容】
[0004] 1.要解决的问题
[0005] 针对现有多主元高熵合金性能仍不能满足高温结构材料领域的需求与应用 的问题，本发明提供一种多主元Laves基金属间化合物及其制备方法，其组成元素为 FeCoNiCrxZr，主要相为Laves金属间化合物，或在Laves相基体上含少量bee结构的固溶 体，本发明的多主元Laves基金属间化合物具有良好的耐热性能和硬度，可应用于工业上 接近1100°c的高温结构材料领域。
[0006] 2.技术方案
[0007] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] -种多主元Laves基金属间化合物，由Fe、Co、Ni、Cr和Zr五种元素按摩尔比 1:1:l:x:l组成，其中x的取值范围为0.5~1。
[0009] 优选地，所述的Laves基金属间化合物的制备原料为纯度不低于99%的Fe、Co、 Ni、Cr和Zr。
[0010] 上述的一种多主元Laves基金属间化合物的制备方法，其步骤为：
[0011] (1)原料前处理：用机械方法去除？6、(：〇、附、0和21'原料表面的氧化层；
[0012] (2)配料：按比例称取Fe、Co、Ni、Cr和Zr原料，混合均匀；
[0013] (3)电弧炉熔炼：将步骤⑵中混合好的原料放入真空电弧炉中，将炉体抽真空后 再充入惰性气体，在惰性气体的保护下进行熔炼，熔炼电流为250±30A，时间为30~60s; 待样品冷却后将其翻转继续进行熔炼，如此重复熔炼至少4次；
[0014] (4)铸模成型：将熔炼好的原料铸入模具中获得Laves基金属间化合物试样；
[0015] (5)热处理：将步骤（4)中得到的Laves基金属间化合物试样置于真空炉中进行 热处理得到上述的Laves基金属间化合物，热处理温度为650~950°C，热处理时间为2~ 10小时。
[0016] 优选地，所述的步骤（2)中采用感应量为0.lmg的电子天平称取原料。
[0017] 优选地，所述的步骤（3)中电弧炉为WK型非自耗真空电弧炉，所述的惰性气体为 纯度多99. 9 %的氩气。
[0018] 优选地，所述的步骤（3)中当炉体内真空度达到5Xl(T3Mpa后充入惰性气体。
[0019] 上述的一种多主元Laves基金属间化合物在1100°C以下的高温结构材料领域中 的应用。
[0020] 本发明的创新点：现有多主元高熵合金成分设计的主要目标是获得fee或bcc结 构的简单固溶体相，从而获得综合的强度和韧性，并且研宄发现高熵效应可赋予多主元固 溶体较高的结构稳定性，但体心立方结构固溶体的高温使用性能与拓扑密排结构的金属间 化合物相比仍具有先天的不足。
[0021] 本发明基于多主元合金的高熵效应有利于合金相结构高温稳定的热力学基础理 论，提供一种多主元Laves基金属间化合物及其制备方法，其组成元素为FeCoNiCrxZr， 主要相为Laves金属间化合物，或在Laves相基体上含少量bcc结构的固溶体，本发 明的多主元Laves基金属间化合物高j：商效应及拓扑密度结构特征使硬度高达800~ 900HV，具有接近1100°C的结构稳定性和抗回火软化性能，同时还具有良好的高温时效 强化效果，可应用于工业上1100°C以下的高温结构材料领域。本发明中各元素的原子 半径分别为：Zr(1.59A)、Fe(1.26A)、Co(1.25A)、Ni(1.24A)、Cr(1.28A)， 经计算，Zr与Fe、Co、Ni的原子半径比均约为1. 27,非常接近有利于八82型Laves相形 核的理论最佳原子半径RA/RB比值1. 225,因此在本发明中，多主元AB2型Laves相中A 组分的合金元素主要为大原子半径元素Zr(1.59A)，小原子B组元位置成分主要为Fe(1.26A)、Co(1.25A)、Ni(1.24A)、Cr(1.28A)，而原子半径相对略大的Cr也可能 部分占据大原子A位置处，以补足因Zr原子添加量的不足而在A原子位置留下的空位，最 终形成八132型多主元Laves相金属间化合物。
[0022] 3.有益效果
[0023] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0024] (1)本发明的多主元Laves基金属间化合物具有极高的硬度，由于Laves相拓扑密 排结构是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是四面体间隙的复杂结构，其空间 利用率及配位数均很高，点阵空间间隙小。因此，拓扑学晶体结构特点决定了该类型金属间 化