[發明專利]一種Cr-Fe-Mn-Ni-Al系高比強度多尺度結構高熵合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202211624590.6
• 申請日: 2022-12-16
• 公開（公告）號: CN116219253A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 張麗軍;魏雪明;張春芝
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/02
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 王曉鳳

本發明屬于金屬材料技術領域，特別涉及一種Cr?Fe?Mn?Ni?Al系高比強度多尺度結構高熵合金及其制備方法。所述合金的通式為Crsubgt;a/subgt;Mnsubgt;b/subgt;Fesubgt;c/subgt;Nisubgt;d/subgt;Alsubgt;e/subgt;，a、b、c、d、e為摩爾比，a+b+c+d+e＝100％。本發明還公開了具有多尺度結構的高比強度高熵合金的制備方法，包括對高純原料進行布料，抽真空并充入一定量的高純氬氣，進行多次電弧熔煉，獲得所需合金。本發明合金具有密度低、高溫硬度高和高溫比強度高的特點，Al的含量越高，高溫強度和比強度越高，優于傳統Inconel?718鎳基合金，為新型高溫結構材料提供選擇支撐。

技術領域

本發明屬于金屬材料技術領域，特別涉及一種Cr-Fe-Mn-Ni-Al系高比強度多尺度結構高熵合金及其制備方法。

背景技術

低密度、高比強度材料的開發和應用對于航空航天、軌道交通等行業的發展至關重要。當前傳統輕質合金材料，如鋁合金、鎂合金等已經得到了廣泛應用。盡管該類材料密度低，但是其強度往往不高，很難滿足日益增長的苛刻服役環境的需求，如高溫、高壓、腐蝕、磨損等惡略環境。而鎳基高溫合金以高溫強度優異著稱，往往應用在航空發動機的制造上，但是由于鎳基高溫合金密度高(8.2g/cm³)增加了飛行器的重量，限制了推重比的增加。目前，隨著我國加大對深空、深海和極地的探索開發，大大增加了對設備服役性能的要求，往往需要具有更高綜合性能的材料。依據傳統合金設計理念設計的低密度、高比強度材料已經達到了瓶頸。

近年來，高熵合金的提出打破了傳統合金單主元的設計理念，該類合金以多種主元為基礎形成簡單結構的固溶體，其代表了一種新的合金設計理念。高熵合金最大的特點是長程結構有序而化學無序，其表現出的獨特效應，包括高熵效應、遲緩擴散效應、嚴重的晶格扭曲以及雞尾酒效應。這些特性使得高熵合金表現出很多優異的綜合性能，例如兼具高強塑性的(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇合金、高強耐蝕的CoNiV合金、高強耐磨的(TiNbZr)₇₅Ag₂₅合金等。高熵合金的設計理念大大拓寬了合金的設計范圍，為開發設計新型低密度、高比強度材料提供了新的思路。利用高熵合金多主元的設計思路，開發一種能在復雜工況下使用的低密度、高比強度合金，對航空航天、軌道交通等領域的發展具有現實意義。

發明內容

本發明的目的在于，針對目前傳統鎂合金、鋁合金等輕質合金強度低，而鎳基和鐵基合金密度高、比強度低的問題，提供一種具有多尺度結構的Cr-Mn-Fe-Ni-Al系高比強度高熵合金及其制備方法，該合金具有密度低、高溫硬度高、高溫比強度高、抗軟化性能好的特點。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種Cr-Fe-Mn-Ni-Al系高比強度多尺度結構高熵合金，所述合金的通式為Cr_aMn_bFe_cNi_dAl_e，其中，a、b、c、d和e為摩爾比，10％≤a≤40％、10％≤b≤40％、10％≤c≤40％、10％≤d≤40％、10％≤e≤30％，且a+b+c+d+e＝100％；

其制備方法，具體步驟如下：

(1)選取顆粒狀的合金原材料鉻、錳、鐵、鎳、鋁，對每一種原材料進行超聲清洗5～10分鐘，以除去表面吸附的雜質，配料前按照設計的通式中合金成分將摩爾比化成質量百分數，按質量百分數稱重；

(2)對步驟(1)中處理好的原材料按照原料密度由低到高，從下到上的順序進行布料，保證在熔煉過程中低密度合金上浮，高密度合金下沉，由此形成的密度差可以一定程度上使合金溶體更加均勻；