[發明專利]一種基于原位反應的高熵合金梯度復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910650167.5
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110257758A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 張揚;秦希云;陳曉陽;盧雅琳;李小平
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 陳麗萍

本發明通過對FeAlCrCoNi高熵合金進行高溫表面氮化處理，控制加熱溫度、氮化時間及氮氣流量在FeAlCrCoNi高熵合金表面原位反應生成含AlN顆粒的梯度復合層，所述梯度復合層中AlN顆粒的體積分數、尺寸呈梯度分布，與基體結合力強；本發明在保持高熵合金良好的強度和塑性組合的同時，原位反應所制得的含AlN顆粒的梯度復合層能顯著提高高熵合金的力學性能及表面硬度和耐磨性，相較高熵合金基體材料，屈服強度提高了11％～26％、抗拉強度提高了5％～17％、表面硬度提高了26％～48％。

技術領域

本發明涉及高熵合金技術領域，具體涉及一種基于原位反應的高熵合金梯度復合材料及其制備方法。

背景技術

高熵合金是一類新興的合金材料，它打破了傳統合金中主要組成元素為一種或兩種的合金設計理念。多主元高熵合金是由至少五種以上的主要元素構成，而且每種元素原子百分比不超過35％。合金主元增多產生的高熵效應，使晶體易于形成簡單體心或簡單面心結構，并可能伴有晶間化合物以及納米晶，從而達到固溶強化、沉淀強化和彌散強化效果。通過合金成分優化設計可以使高熵合金在性能上比傳統合金具有更大的優勢，例如高硬度、高強度、耐高溫氧化、耐腐蝕等。

為改善高熵合金的綜合性能，人們做了大量探索，除優化合金組分、改進材料制作工藝之外，添加合適的增強相亦是進一步提高合金強度、抗氧化性、抗腐蝕性等的重要途徑。

高熵合金基復合材料現己成為高熵合金研究的一個重要方向。而梯度復合材料是指通過控制構成材料的要素如組成、結構等由一側向另一側呈連續梯度變化的非均質材料。CN106637062A公開了一種制備高熵合金表面離子滲氮層的方法，該方法在550℃對高熵合金進行離子滲氮處理，采用氨氣作為氮源，滲氮層厚度有限，且氨氣存在一定腐蝕性。

發明內容

為了解決如何提高高熵合金的表面的硬度和耐磨性的技術問題，而提供一種基于原位反應的高熵合金梯度復合材料及其制備方法。本發明方法能夠保持高熵合金基體良好的強度和塑性組合，同時顯著提高高熵合金表面的硬度和耐磨性，獲得綜合性能更好的高熵合金。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基于原位反應的高熵合金梯度復合材料，以等原子比的FeAlCrCoNi高熵合金為基體，對所述高熵合金進行表面氮化處理，在所述高熵合金的表面原位反應獲得一層含AlN顆粒的梯度復合層，所述梯度復合層的厚度為600～1200μm。復合層厚度過小，可能發生復合層被磨損破壞后導致高熵合金基體暴露在外，影響硬度和耐磨性；復合層厚度過大，會引起復合材料的整體塑性降低。

進一步地，所述梯度復合層中AlN顆粒的體積分數沿著所述梯度復合層的外表面向高熵合金呈遞減的梯度分布，梯度復合層的外表面含體積分數為10～30％的AlN顆粒。

進一步地，所述梯度復合層中AlN顆粒的尺寸沿著所述梯度復合層的外表面向高熵合金呈遞減的梯度分布，梯度復合層的外表面中所述AlN顆粒的尺寸為5～15μm。

本發明另一目的提供一種上述高熵合金梯度復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將高熵合金鑄錠進行冷軋變形制得高熵合金基體；

(2)對所述高熵合金基體進行表面清潔，去除氧化皮及其他雜質；

(3)在1000～1200℃下通入氮氣，氮化4～8h，在所述高熵合金的表面原位反應獲得含有AlN顆粒的梯度復合層，冷卻后即獲得一種基于原位反應的高熵合金梯度復合材料。

進一步地，步驟(1)中所述冷軋變形的變形量為高熵合金基體厚度的60～90％，冷軋后高熵合金板厚度為3～12mm。

進一步地，步驟(3)中所述氮氣的流量為0.5～3L/min。