[發明專利]一種Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金

有效

• 申請號: 201710824842.2
• 申請日: 2017-09-14
• 公開（公告）號: CN107739956B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 薛云飛;曹堂清;王本鵬;王魯;劉旭東;岳晗;王富恥
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22F1/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

本發明涉及一種Nb微合金化Ni?Co?Fe?Cr?Al高熵合金，屬于金屬材料技術領域。本發明所述高熵合金通過基礎組元Al、Ni、Co、Cr、Fe配比的調整和微量元素Nb的添加，促進L1₂相的形成，避免B2相、Laves相、σ相等有害相的出現；所述的高熵合金主要由FCC相組成，晶粒尺寸在100μm～400μm之間，屈服強度不低于300MPa，抗拉強度不低于740MPa，延伸率不低于18％，兼具良好韌性和較高的屈服強度，滿足現代工業對材料力學性能的要求。

技術領域

本發明涉及一種具有高強度、高塑性的Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金，屬于金屬材料技術領域。

背景技術

高熵合金也稱作多主元合金，是近年發展起來的一類新型合金，其定義為由五種及以上元素按等原子比或近等原子組成的合金，每種主要組元的含量為5～35at.％；此外，還可以添加其它合金元素進行合金化，添加量小于5at.％。高熵合金的多主元組成特點，不同于傳統合金有明確的基體元素(如Fe基合金、Ti基合金、Al基合金和Ni基合金等)，所以在液態或無序固溶體狀態下具有很高的混合熵，而且高混合熵能夠穩定固溶體相，使這類合金具有較簡單的相組成和顯微組織。正因如此，這類合金被命名為高熵合金。

由于多主元效應(高熵效應、遲滯擴散效應、晶格畸變效應和雞尾酒效應)，高熵合金的冶金物理作用機制有別于傳統合金，從而表現出了一系列優異的性能，如突出的高溫強度、良好的低溫韌性、良好的耐磨性能、良好的耐腐蝕性以及優異的抗輻照性能等。然而，目前所報道的多主元合金，都沒有實現很好的強韌性匹配。BCC結構的高熵合金屈服強度最高可達～2000MPa，幾乎沒有拉伸塑性；FCC結構的高熵合金則具有較好塑性，但是其屈服強度一般不超過300MPa。這極大的限制了高熵合金的實際應用，因此開發具有良好綜合力學性能的高熵合金，具有重要意義。

傳統單相組織的合金通常也不具備較高的強度，為滿足使用要求，通常采用細晶強化、復相強化、沉淀強化、位錯強化和相變強化等方法提高合金的強度。這些強化方法的運用，一般需要將合金化設計和適當的形變熱處理工藝相結合。高熵合金的設計理念雖有別于傳統合金，但仍屬于晶體材料范疇，其變形機制依然是位錯滑移、孿生和相變等，所以傳統合金中的強化方法同樣適用于高熵合金。但是，高熵合金多主元的成分組成特點使高熵合金的成分調整更為復雜，一方面高熵合金中沒有特定的元素占主導地位，所以成分調整時需要綜合考慮元素間的相互作用，同時兼顧某個組元的發揮效果；另一方面，微合金化元素的添加通常能顯著改變合金的組織和力學性能，但在高熵合金中，添加元素的選擇需要同時考慮其與多個主元的作用。因此，在提高高熵合金強韌性匹配中，合金成分設計是關鍵難題之一。

Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金系統中，Ni、Co和Fe元素穩定FCC相，Al和Cr元素穩定BCC相。另外，Ni和Al之間大的負混合焓將導致B2相和L1₂相的形成，二者化學組成可表示為(Ni,M)Al和(Ni,M)₃Al，主要由Ni和Al元素構成，Ni元素部分被M(代表Co、Fe和Cr)取代。其中，B2相與FCC基體為半共格關系，呈針狀，對合金的塑性不利；而L1₂相與基體完全共格，常表現為彌散的納米級球狀析出，不僅具有更好的強化效果，對塑性的犧牲也相對較小。根據Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金的相組成特點和合金的強韌化方法，該系列合金有潛力獲得較高的強度，同時保持較好的塑性。然而，現有報導的Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金中，BCC結構合金強度一般超過1400MPa，但幾乎沒有拉伸塑性；雖然FCC結構合金延伸率超過50％，但屈服強度僅約為200MPa。而具有FCC+BCC雙相結構的合金，由于受到混合法則的限制，也很難實現強韌性的良好匹配。如Al_0.7CoCrFeNi雙相合金，屈服強度約為700MPa，但延伸率不到10％；而具有共晶組織的AlCoCrFeNi_2.1雙相合金強度則不到400MPa。因此，探索改善Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金強韌性匹配的方法，對實現該合金的實際應用具有重要意義。

發明內容