1.本发明涉及合金材料的技术领域，具体涉及一种基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金及其制备方法。
背景技术：2.传统合金是由一种或两种主要元素组成，高熵合金与传统合金不同，高熵合金是由五种或五种以上等量或者近似等量的主要元素组成。研究发现，高熵合金具有髙熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应等四大效应。与传统合金相比，高熵合金具有一些显著的性能，如高强度、高硬度，延展性好，热稳定性好，抗疲劳性能好，还具有优异的抗腐蚀性和耐磨性能。co元素为战略稀缺元素，价格昂贵，因此，开发出不含co元素但仍能保持优异力学性能的合金体系，不仅可为低成本高熵合金体系的开发提供思路和研究基础，还可降低经济成本，有助于大力推进高熵合金的应用进程。
3.基于目前对高熵合金的研究发现，研究难点在于如何制备强塑性匹配较高的合金体系，即提高合金的强度、硬度的同时会牺牲一部分塑性，因此很难作为结构材料而被广泛应用。目前，得到高强度和高塑性的合金主要有四大强化机制，分别为位错强化、细晶强化、第二相强化和固溶强化。本发明通过置换固溶强化和间隙固溶强化两种强化机制进行协同作用，实现高熵合金的组织调控和强韧化，提供一种同时具有高强度和高塑性的新型高熵合金，其强塑性匹配较高。
4.因此，如何得到高强度和高塑性的合金是高熵合金领域的研究热点，也具有很重要的研究意义，有鉴于此，特提出本技术。
技术实现要素：5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于间隙固溶和置换固溶强化效应的高熵合金及其制备方法。
6.基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，以原子摩尔比计，所述高熵合金的通式为b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
，其中，0《x《2。
7.作为一种案例，所述高熵合金的通式为b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
。
8.作为一种案例，所述高熵合金的通式为b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
。
9.作为一种案例，所述高熵合金的通式为b1al2ti1(crfeni)
96
。
10.作为一种案例，所述高熵合金的通式为b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
。
11.作为一种案例，所述高熵合金具有单相fcc结构，为枝晶结构。
12.作为一种案例，所述高熵合金b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
的屈服强度和最大抗拉强度分别达到252.1mpa和603.7mpa，拉伸断后伸长率为26.9％。
13.本发明提供上述任一项所述基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金的制备方法，所述制备方法包括在al2ti1(crfeni)
97
基体中，按照配方量添加b元素进行熔炼，得到所述基于间隙固溶和置换固溶强化效应的高熵合金。
14.作为一种案例，所述的制备方法，包括如下步骤：
15.(1)利用60号sic砂纸和砂轮机去除单质b、al、ti、cr、fe和ni表面杂质和氧化物，然后使用丙酮清洗，按照配方称量b、al、ti、cr、fe和ni，并超声清洗；
16.(2)将超声清洗后的b、al、ti、cr、fe和ni置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度≤1.0
×
10-3
mpa进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；
17.(3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；
18.(4)重复步骤(3)，得到所述基于间隙和置换固溶强化效应的b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金。
19.本发明技术方案和现有技术相比具有如下优点：
20.1、本发明提供一种强塑性匹配较高的高熵合金，即通过添加适量的间隙固溶强化和置换固溶强化元素来调控基体高熵合金的组织结构以及力学性能。
21.2、本发明在al2ti1(crfeni)
97
高熵合金中添加b原子作为间隙原子，al原子和ti原子作为置换原子，通过固溶强化机制提高合金的力学性能，扩大高熵合金的应用范围。
22.3、本发明去除高熵合金中比较常见但是相对昂贵的co元素，提供一种成本相对较低的b-al-ti-cr-fe-ni高性能高熵合金体系，提高了经济效益。
23.4、进一步地，本发明在al2ti1(crfeni)
97
基体中，添加不同比例的b元素，得到性能改善的多种合金。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的x射线衍射图谱。
26.图2是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的光学显微镜照片。
27.图3是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的维氏硬度图。
28.图4是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金的准静态拉伸应力-应变曲线。
29.图5是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金的准静态压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例
32.本发明提供新型的高熵合金，以原子的摩尔比计，其通式为b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
，其中，0《x＜2。
33.当x取值不同时，得到不同案例的具体合金，各案例高熵合金的组成如下表1所示。
34.表1
35.序号x取值高熵合金
10al2ti1(crfeni)
97
20.25b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
30.5b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
41b1al2ti1(crfeni)
96
51.5b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
36.上述各案例的高熵合金均采用如下制备方法获得：
37.(1)利用60号sic砂纸和砂轮机去除单质b、al、ti、cr、fe和ni表面杂质和氧化物，然后使用丙酮清洗，按照各案例的配方量称取、总质量为100g的b、al、ti、cr、fe和ni，并超声清洗两次。
38.(2)将超声清洗后的b、al、ti、cr、fe和ni置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度≤1.0
×
10-3
mpa进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭。
39.(3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程。
40.(4)重复步骤(3)2次，得到相应的b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金。
41.各案例中使用的单质b、al、ti、cr、fe和ni的纯度均为99.9wt％。
42.使用的高真空非自耗电弧熔炼炉为中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的dhl-400型高真空非自耗电弧熔炼炉。
43.效果例
44.对各案例所得高熵合金的力学性能测试、组织结构和热稳定性进行如下的表征分析：
45.(1)物相分析：采用日本理学公司smartlab x射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40kv和190ma，x射线源为cukα(λ＝0.1542nm)射线。
46.(2)微观组织：采用jsm-6610lv型冷场发射扫描电子显微镜(sem,merlin compact)进行微观组织表征。
47.(3)准静态拉伸力学性能测试：采用cmt4305型微机电子万能试验机进行室温准静态拉伸试验，测试试样依据金属材料室温拉伸试验方法(gb/t228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样，应变率10-3
s-1
。
48.(4)准静态压缩力学性能测试：采用cmt4305型微机电子万能试验机进行室温准静态压缩试验，测试试样依据金属材料室温压缩试验方法(gb7314-87)国家标准中有关规定制成直径4mm，高6mm的圆柱试样。
49.得到的测试结果参见图1-4。
50.图1是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的x射线衍射图谱。从图中可以看出，所有的合金都表现为单相的fcc结构。可以看出与al2ti1(crfeni)
97
高熵合金相比，随着b含量的逐渐增加，b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金中fcc相(111)晶面衍射峰向低角度偏移，表明原子半径较小的b原子固溶于fcc晶格中。
51.图2是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金光学显微镜照片。图2依次显示了al2ti1(crfeni)
97
，b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
，b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
，b1al2ti1(crfeni)
96
，b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
合金的om图。结合xrd图结果分析可知，合金均为fcc结构。随着b元素含量的增加，枝晶尺寸逐渐变小，枝晶间区域尺寸略有增加。当b元素含量为0时，枝晶区域大约为60-80μm；随着b含量的增加，当b含量为1.5％时，枝晶区域约为25-35μm。
52.图3是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的维氏硬度图。从图中可以看出，从图中可以看到al2ti1(crfeni)
97
，b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
，b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
，b1al2ti1(crfeni)
96
，b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
合金的硬度分别为175.1hv，166.9hv、169.67hv、176.1hv和200.3hv。相对于al2ti1(crfeni)
97
合金，b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
，b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
，b1al2ti1(crfeni)
96
，b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
，合金中由于所添加的b含量较低，因而硬度变化并不明显。但值得注意的是，b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
合金的硬度有了明显的提升，相对于al2ti1(crfeni)
97
合金，其硬度的变化达到33.35hv，增幅为19.97％。分析认为，硬度逐渐升高的主要原因为b、al、ti元素的固溶强化作用。
53.图4是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金的拉伸应力-应变曲线。屈服强度，最大抗拉强度及延伸率的具体数值列于表2-b
x
al2ti1(crfeni)
100-x
体系高熵合金的力学性能参数值。
54.表2的实验结果表明，随着b元素含量从0添加到1.5at％，合金的屈服强度和抗拉强度分别从224.1mpa，503.7mpa增加至225.174mpa，588.712mpa。然而，延伸率却逐渐下降。但相对而言，b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
合金，b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
合金仍然保持了41.8％和31.4％的优异的延伸率。
55.表2
56.高熵合金屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)延伸率(％)al2ti1(crfeni)
97
224.1503.042.6b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
199.8522.841.8b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
231.8585.731.4b1al2ti1(crfeni)
96
225.1588.726.1b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
252.1603.826.9
57.由此可见，随着b元素添加量的增加，b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
体系高熵合金的屈服强度和抗拉强度都显著提高，分析认为是在crfeni基体中加入b、al、ti元素后，b原子产生间隙固溶强化作用，al原子核ti原子产生置换固溶强化作用，使得合金强度提高。b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
高熵合金的抗拉强度为603.7mpa，拉伸断后伸长率为26.9％。
58.图5是b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金的压缩应力-应变曲线。b元素含量由低到高，其屈服强度分别为238mpa，251.3mpa，294.6mpa，391mpa。显然，b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金的屈服强度随b元素含量的增加而增加。分析认为，crfeni基体中添加b、al、ti元素时，产生了固溶强化效果，使得合金的屈服强度增加。由图可知，b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金均未被压断，体现了其良好的塑性。
59.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
技术特征：1.基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，以原子摩尔比计，所述高熵合金的通式为b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
，其中，0<x<2。2.根据权利要求1所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的通式为b
0.25
al2ti1(crfeni)
96.75
。3.根据权利要求1所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的通式为b
0.5
al2ti1(crfeni)
96.5
。4.根据权利要求1所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的通式为b1al2ti1(crfeni)
96
。5.根据权利要求1所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的通式为b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
。6.根据权利要求1-5任一项所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金具有单相fcc结构，为枝晶结构。7.根据权利要求5所述的基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金b
1.5
al2ti1(crfeni)
95.5
的屈服强度和最大抗拉强度分别达到252.1mpa和603.7mpa，拉伸断后伸长率为26.9％。8.根据权利要求1-7任一项所述基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金的制备方法，所述制备方法包括在al2ti1(crfeni)
97
基体中，按照配方量添加b元素进行熔炼，得到所述基于间隙固溶和置换固溶强化效应的高熵合金。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用60号sic砂纸和砂轮机去除单质b、al、ti、cr、fe和ni表面杂质和氧化物，然后使用按照丙酮清洗，配方称量b、al、ti、cr、fe和ni，并超声清洗；(2)将超声清洗后的b、al、ti、cr、fe和ni置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度≤1.0
×
10-3
mpa进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；(3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；(4)重复步骤(3)，得到所述基于间隙和置换固溶强化效应的b
x
al2ti1(crfeni)
97-x
高熵合金。
技术总结本发明涉及合金材料的技术领域，具体给出一种基于间隙固溶及置换固溶强化效应的高熵合金及其制备方法。以原子的摩尔比计，所述高熵合金的通式为B
技术研发人员：马丽莉 杨柏婷 赵盼盼 马斌 衡中皓
受保护的技术使用者：青海大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
