本發(fā)明涉及材料技術(shù)領域，尤其涉及一種多主元高熵合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1995年，中國臺灣學者葉均蔚研究小組突破傳統(tǒng)合金設計理念提出多主元高熵合金的概念，把高熵合金定義為由五種或五種以上主要元素構(gòu)成，每種元素的摩爾分數(shù)在5%-35%范圍之內(nèi)，然后經(jīng)過一定合成的工藝而形成的合金。大量的實驗研究表明，與會形成金屬間化合物或者其他復雜的相的傳統(tǒng)合金不同，高熵合金會產(chǎn)生高熵效應抑制金屬間化合物的形成，從而促進元素混合形成簡單相結(jié)構(gòu)的固溶體（主要是fcc（facecentercubic/face-centeredcubic，面心立方晶格）或者bcc（body-centeredcubicstructure，體心立方晶格）結(jié)構(gòu)），有些成分的高熵合金還會析出納米相甚至非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金除了會產(chǎn)生高熵效應外，還有原子擴散緩慢效應、晶格畸變效應和雞尾酒效應。所以，新興的高熵合金在一些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)合金，比如硬度、強度、耐腐蝕性、加工硬化、抗高溫軟化性等。可見，高熵合金作為一種革新的材料具有很大的應用前景。

經(jīng)過二十年的探索研究，多主元高熵合金的學術(shù)理論和實際應用得到了大力的發(fā)展。目前，多主元高熵合金的研究主要涉及優(yōu)化合金成分，相形成機理，各主元素含量對合金組織結(jié)構(gòu)、力學性能的影響，以及不同加工和熱處理工藝對合金組織和性能的影響。另外，研究學者們?yōu)樘岣吆辖鸬男阅堋嶋H應用等，采用多種不同的制備方法制備/研究多主元高熵合金，及研究其制備方法對合金的影響，如：真空電弧爐熔煉、機械化合金、激光熔覆等。

優(yōu)化合金的性能是學者們研究合金的主要目的及意義。在已報道的研究中發(fā)現(xiàn)具有高塑性的高熵合金體系，其強度卻很低，而強度相對較高的高熵合金體系，但其塑性卻比較差。隨著工業(yè)對合金性能要求的越來越高，尤其是對同時兼?zhèn)涓邚姸群鸵子诩庸さ暮辖鸬膽眯枨蟾訌V泛，以此，開發(fā)兼具高塑性和高強度的多主元高熵合金迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種多主元高熵合金及其制備方法，得到的多主元高熵合金同時具備優(yōu)異的強度和塑性。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種多主元高熵合金，該多主元高熵合金的成分為feacobnicaldcue，其中，a、b、c、d及e分別代表各元素對應的摩爾比，且0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0。

進一步優(yōu)選地，所述多主元高熵合金選用的fe、co、ni、al和cu原材料均為純度大于99.99%的粒狀/塊狀原料。

本發(fā)明還提供了一種多主元高熵合金制備方法，包括：

s1根據(jù)多主元高熵合金中各元素的摩爾比，稱取相應重量的fe、co、ni、al和cu原材料，其中，各元素的摩爾比分別為0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0；

s2將稱好的原材料和鈦錠分別放入熔煉爐中的銅坩堝內(nèi)進行熔煉得到合金成分為feacobnicaldcue的多主元高熵合金鑄錠。

進一步優(yōu)選地，所述熔煉爐為真空電弧熔煉爐。

進一步優(yōu)選地，在步驟s2中具體包括：

s21將熔煉爐清洗干凈后將稱好的原材料和鈦錠分別放入熔煉爐中的銅坩堝內(nèi)；

s22用機械擴散泵將熔煉爐內(nèi)抽取真空，進一步用分子擴散泵進一步抽真空直到真空值達到第一預設值停止；

s23向熔煉爐內(nèi)充入高純度氬氣直至熔煉爐內(nèi)真空值達到第二預設值停止；

s24開啟電磁攪拌器，將鈦錠熔煉一到兩次；

s25加入稱好的原材料反復熔煉多次直至均勻，完成熔煉。

在本發(fā)明提供的多主元高熵合金及其制備方法中，能夠帶來以下有益效果：

1）該多主元高熵合金具有良好的塑性，同時可獲得了更高的強度，力學性能優(yōu)異；

2）該制備方法工藝簡單，成本較低，可操作性強，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結(jié)合附圖說明優(yōu)選實施方式，對上述特性、技術(shù)特征、優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明。

圖1為兩個實例得到的多主元高熵合金的x射線衍射xrd譜圖；

圖2為實施例1中多主元高熵合金feconialcu的金相照片；

圖3為實施例1中多主元高熵合金feconialcu掃描電鏡圖；

圖4為實施例2中多主元高熵合金feconialcu1.5的金相照片；

圖5為實施例2中多主元高熵合金feconialcu1.5掃描電鏡圖；

圖6為兩個實例得到的多主元高熵合金的壓縮應力-應變曲線圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對照附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實施方式。

本發(fā)明提供了一種多主元高熵合金，具體，該多主元高熵合金的成分為feacobnicaldcue，其中，a、b、c、d及e分別代表各元素對應的摩爾比，且0.9≤a≤1.1、0.9≤b≤1.1、0.9≤c≤1.1、0.9≤d≤1.1、0.9≤e≤2.0。在一實例中，a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0和1.0≤e≤1.5，即得到的多主元高熵合金為feconialcu1-1.5。

在制備該多主元高熵合金的方法中，包括：

（1）原料前處理，將合金原料置于燒杯中，倒入低溶度的鹽酸溶液，除去其表面的氧化層，待氧化層完全除去后再原料放入裝有乙醇的燒杯中并將燒杯置于超音波清洗儀中清洗一定時間，如10分鐘；然后更換乙醇再清洗一定時間，如5分鐘，最后用電吹風機將原材料烘吹干，以備熔煉使用。

（2）配料，根據(jù)多主元高熵合金的摩爾比，用電子天平精確的稱量fe、co、ni、al和cu原材料（純度大于99.99%的粒狀/塊狀原料）并混合。

（3）熔煉合金，先清除爐內(nèi)異物，并用無水乙醇將熔煉爐內(nèi)的銅坩堝及其內(nèi)壁擦洗干凈，然后打開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，隨后將稱量好的混合原料及鈦錠分別放入爐內(nèi)的銅坩堝中，關緊爐門。用機械擴散泵將爐體抽取低真空至一定值，如10pa（帕），然后利用分子擴散泵抽取高真空至第一預設值，如2.5×10-3pa；然后關閉相應的閥門，打開充氣閥門，開始向爐內(nèi)通入高純度氬氣，待爐內(nèi)的大氣壓力回升至大約為第二預設值，如0.5pa時，關閉充氣閥停止通氬氣。然后開始熔煉，將電極降至離坩堝1-2mm處引弧，再把電極提升到合適的位置，然后慢慢加大電流至230~280a進行熔煉，同時開啟電磁攪拌器，在熔煉試樣之前先將鈦錠熔煉一到兩次，進一步降低爐內(nèi)含氧量；再將每個合金試樣反復翻轉(zhuǎn)熔煉多次，如4次至均勻，并且合金每次熔煉時間為3min到4min。熔煉結(jié)束后，關閉電源，待合金冷卻約10min后，開啟放氣閥，打開真空熔煉爐爐門即可得到紐扣狀的兼具高塑性和高強度的多主元高熵合金鑄錠。

以下實施例中所使用的高真空電弧熔煉爐為中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司生產(chǎn)的dhl-300型高真空電弧熔煉爐。

對所得多主元高熵合金的力學性能測試和組織結(jié)構(gòu)的表征信息如下：

(1)物相分析：采用德國brukerd-8fucus型x射線衍射儀進行物相分析，工作電壓為40kv，掃描速度4s/步，步長0.02°，衍射角范圍20°-100°。

(2)微觀組織：采用mef3型金相顯微鏡和日本feiquanta200f掃描電子顯微鏡進行微觀組織觀察。

(3)室溫壓縮性能測試：采用mts型電子萬能試驗機進行室溫壓縮試驗，測試試樣依據(jù)金屬材料室溫壓縮試驗方法(gb/t7314-2005)國家標準中有關規(guī)定制成長方體且高寬比確定為2:1，本發(fā)明的測試試樣的規(guī)格為3mm×3mm×6mm，應變率1×10^-4。

以下實施例中所述fe、co、ni、al和cu原材料的純度均為99.99%。

實施例1

該多主元高熵合金的成分為feconialcu，即a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0、e=1，具體步驟如下：

步驟1：將合金原料置于燒杯中，倒入低溶度的鹽酸溶液，除去其表面的氧化層，待氧化層完全除去后再原料放入裝有乙醇的燒杯中并將燒杯置于超音波清洗儀中清洗10分鐘，然后更換乙醇再清洗5分鐘，最后用電吹風機將原材料烘吹干，以備熔煉使用。

步驟2：根據(jù)多主元高熵合金的摩爾比，用電子天平精確的稱量fe、co、ni、al和cu原材料并混合。

步驟3：先清除爐內(nèi)異物，并用無水乙醇將熔煉爐內(nèi)的銅坩堝及其內(nèi)壁擦洗干凈，然后打開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，隨后將稱量好的混合原料及鈦錠分別放入爐內(nèi)的銅坩堝中，關緊爐門。用機械擴散泵將爐體抽取低真空至10pa，然后利用分子擴散泵抽取高真空至2.5×10^-3pa；然后關閉相應的閥門，打開充氣閥門，開始向爐內(nèi)通入高純度氬氣，待爐內(nèi)的大氣壓力回升至大約為0.5pa時，關閉充氣閥停止通氬氣。然后開始熔煉，將電極降至離坩堝1-2mm處引弧，再把電極提升到合適的位置，然后慢慢加大電流至230~280a進行熔煉，同時開啟電磁攪拌器，在熔煉試樣之前先將鈦錠熔煉一到兩次，進一步降低爐內(nèi)含氧量，再將每個合金試樣反復翻轉(zhuǎn)熔煉4次至均勻，并且合金每次熔煉時間為3min到4min。熔煉結(jié)束后，關閉電源，待合金冷卻約10min后，開啟放氣閥，打開真空熔煉爐爐門即可得到紐扣狀的兼具高塑性和高強度的多主元高熵合金鑄錠。

采用線切割機在所得feconialcu合金鑄錠進行切割，切取若干份尺寸為3mm×3mm×6mm的試樣，分別作為金相試樣、xrd（x-raydiffraction，x射線衍射）試樣和壓縮試樣。隨后對金相試樣進行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕，用240#砂紙對xrd試樣和壓縮試樣進行粗磨，之后用無水乙醇對xrd試樣和壓縮試樣進行超聲清洗，得到feconialcu高熵合金待測試樣，之后：

對所述feconialcu高熵合金xrd試樣進行物相分析，其x射線衍射（xrd）譜圖如圖1所示，可知feconialcu高熵合金由面心立方（圖示中fcc）和體心立方（圖示中bcc）固溶體相組成。

對所述feconialcu高熵合金金相試樣進行微觀組織分析，其金相照片如圖2所示，掃描電鏡（sem）如圖3所示，可知，合金為典型的樹枝晶組織。

對所述feconialcu高熵合金壓縮試樣進行室溫壓縮力學性能測試，其壓縮應力-應變曲線如圖6所示，可知feconialcu高熵合金的室溫壓縮屈服強度為882mpa，抗壓強度為1481mpa，壓縮應變?yōu)?8.9%。

實施例2

該多主元高熵合金的成分為feconialcu1.5，即a=1.0、b=1.0、c=1.0、d=1.0、e=1.5，具體步驟如下：

步驟1：將合金原料置于燒杯中，倒入低溶度的鹽酸溶液，除去其表面的氧化層，待氧化層完全除去后再原料放入裝有乙醇的燒杯中并將燒杯置于超音波清洗儀中清洗10分鐘，然后更換乙醇再清洗5分鐘，最后用電吹風機將原材料烘吹干，以備熔煉使用。

步驟2：根據(jù)多主元高熵合金的摩爾比，用電子天平精確的稱量fe、co、ni、al和cu原材料并混合。

步驟3：先清除爐內(nèi)異物，并用無水乙醇將熔煉爐內(nèi)的銅坩堝及其內(nèi)壁擦洗干凈，然后打開循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，隨后將稱量好的混合原料及鈦錠分別放入爐內(nèi)的銅坩堝中，關緊爐門。用機械擴散泵將爐體抽取低真空至10pa，然后利用分子擴散泵抽取高真空至2.5×10^-3pa；然后關閉相應的閥門，打開充氣閥門，開始向爐內(nèi)通入高純度氬氣，待爐內(nèi)的大氣壓力回升至大約為0.5pa時，關閉充氣閥停止通氬氣。然后開始熔煉，將電極降至離坩堝1-2mm處引弧，再把電極提升到合適的位置，然后慢慢加大電流至230~280a進行熔煉，同時開啟電磁攪拌器，在熔煉試樣之前先將鈦錠熔煉一到兩次，進一步降低爐內(nèi)含氧量，再將每個合金試樣反復翻轉(zhuǎn)熔煉4次至均勻，并且合金每次熔煉時間為3min到4min。熔煉結(jié)束后，關閉電源，待合金冷卻約10min后，開啟放氣閥，打開真空熔煉爐爐門即可得到紐扣狀的兼具高塑性和高強度的多主元高熵合金鑄錠。

采用線切割機在所得feconialcu1.5合金鑄錠進行切割，切取若干份尺寸為3mm×3mm×6mm的試樣，分別作為金相試樣、xrd試樣和壓縮試樣。隨后對金相試樣進行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕，用240#砂紙對xrd試樣和壓縮試樣進行粗磨，之后用無水乙醇對xrd試樣和壓縮試樣進行超聲清洗，得到feconialcu1.5高熵合金待測試樣，之后：

對所述feconialcu1.5高熵合金xrd試樣進行物相分析，其x射線衍射譜圖如圖1所示，可知feconialcu1.5高熵合金由面心立方（圖示中fcc）和體心立方（圖示中bcc）固溶體相組成。

對所述feconialcu1.5高熵合金金相試樣進行微觀組織分析，其金相照片如圖4所示，掃描電鏡如圖5所示，可知，合金為典型的樹枝晶組織。

對所述feconialcu1.5高熵合金壓縮試樣進行室溫壓縮力學性能測試，其壓縮應力-應變曲線如圖6所示，可知feconialcu1.5高熵合金的室溫壓縮屈服強度為689mpa，抗壓強度為1302mpa，壓縮應變?yōu)?6.1%。

應當說明的是，上述實施例均可根據(jù)需要自由組合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。