一种晶态含铍高熵合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于高熵合金领域，更具体地，涉及一种晶态含铍高熵合金材料及其制备方法。其通过添加铍元素，开发出具有高比强度的CoCrFeNiBe高熵合金，由于铍原子尺寸小，与其他组元原子尺寸相差较大，有利于提高合金原子尺寸差；此外铍与另外四种元素的混合焓具有较小的负值，因此该高熵合金可通过微量调整铍元素的含量，可较大程度地改变此合金的δ，较小程度改变ΔHmix，因此较明显地改变高熵合金的组织结构且使合金避免落在非晶合金区域或金属间化合物区域，从而获得固溶体相高熵合金。此外由于铍轻质高比强的性能，使得本系列高熵合金的硬度和轻度也得到大幅度的增强，密度降低，从而增大合金的比强度。

【技术实现步骤摘要】
一种晶态含铍高熵合金材料及其制备方法
本专利技术属于高熵合金领域，更具体地，涉及一种晶态含铍高熵合金材料及其制备方法。
技术介绍
传统合金采用一种或两种元素为主的设计理念，获得单主元或双主元合金。高熵合金突破这种设计理念，由五种或五种以上接近等原子比的元素组成，高熵合金因此具有较高的混合熵、较大的晶格畸变、缓慢的扩散效应等，同时由于高熵合金的鸡尾酒效应，可根据需要调控的性能来改变合金元素的配比。目前已报道的典型高熵合金系列有CoCrFeNi,CoCrFeNiAl,MoNbTaW等高熵合金；还有以TiZrHfBeCuNi为代表的高熵非晶合金等。其中CoCrFeNi高熵合金具有60％的拉伸塑性，强度仅有200-500MPa；CoCrFeNiAl高熵合金在最大抗拉强度为1174MPa，在Al含量为11％情况下；CoFeNiVMo高熵合金的最优异综合力学性能为Mo含量为0.2％，此时抗拉强度为686.9MPa；在压缩试验中AlCoCuNiSiV的抗压强度能达到1568MPa，CoCrFeNiMnCu高熵合金的抗压强度仅为750MPa。虽然高熵合金相较于普通合金的强度、硬度等有了较大的改善，但是综合力学性能依然无法达到当前高精尖领域对材料性能的要求。铍是一种轻质高比强金属，密度小(1.848g/cm-3)，体积模量(130GPa)、剪切模量(132GPa)和杨氏模量(287GPa)比一般金属都要大。铍的添加可以显著改善合金的密度、强度、硬度和比强度等重要力学性能。同时，由于铍的VEC较小，与大部分金属相差较大，而VEC(电子浓度)是确定固溶体相的重要参数，当VEC＜6.87时合金形成单一FCC相，当VEC≥8时合金形成单一BCC相，当6.87≤VEC＜8时合金同时含FCC和BCC相；因此可以通过铍的添加调控合金的相组成，从而进一步改善合金性能。目前已报道的晶态高熵合金中，尚无使用铍元素的例子，这是由于铍原子尺寸相比一般金属元素较小，原子尺寸差较大，同时与大部分金属元素的负混合焓值较大，容易使合金落在非晶合金的区域，例如专利CN103334065A公开的一种高熵非晶合金材料TiZrHfBeCuNi。如何获得一种综合力学性能优异的含铍晶态高熵合金材料，并得到单一固溶体相或双固溶体相，是亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种晶态含铍高熵合金材料及其制备方法，其通过添加铍元素，开发出具有高比强度的CoCrFeNiBe高熵合金，由于铍原子尺寸小，与其他组元原子尺寸相差较大，有利于提高合金原子尺寸差；此外铍与另外四种元素的混合焓具有较小的负值，因此该高熵合金可通过微量调整铍元素的含量，可较大程度地改变此合金的δ，较小程度改变ΔHmix，因此较明显地改变高熵合金的组织结构且使合金避免落在非晶合金区域或金属间化合物区域，从而获得固溶体相高熵合金。此外由于铍轻质高比强的性能，使得本系列高熵合金的硬度和轻度也得到大幅度的增强，密度降低，从而增大合金的比强度。由此解决现有技术缺乏综合力学性能优异的晶态高熵合金材料的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，所述晶态含铍高熵合金材料包括单质元素铍、钴、铬、铁和镍，或者包括单质元素铍与钴铬铁镍的合金元素，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)1-xBex，0＜x≤0.225。优选地，该合金包含体心立方固溶体、面心立方固溶体或金属间化合物相中一种或多种。优选地，该合金的比强度不小于2.2×105N·m/kg，密度不大于8.205g/cm3，压缩屈服强度不低于167MPa，压缩断裂强度不低于1700MPa，维氏硬度不低于211HV。优选地，所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)0.96Be0.4。优选地，所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)0.915Be0.085。优选地，所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比表达式为(CoCrFeNi)0.87Be0.13。优选地，所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比表达式为(CoCrFeNi)0.82Be0.18。优选地，所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比表达式为(CoCrFeNi)0.775Be0.225。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种制备所述晶态含铍高熵合金材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)采用纯度为99.5％以上的块体Co、Cr、Fe、Ni和Be金属，按照所述合金的成分原子百分比组成进行配料，得到金属混合物；(2)使用真空电弧熔炼炉熔炼合金，对炉腔抽真空至3×10-3Pa以下，充入高纯氩气；(3)熔炼所述金属混合物至均匀状态，使用真空喷铸或吸铸技术，将母合金注入铜模中，获得所述高熵合金棒材。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供了一种晶态含铍高熵合金材料，利用铍原子尺寸小，与其他组元原子尺寸相差较大，有利于提高合金原子尺寸差；同时利用铍与CoCrFeNi四种元素的混合焓具有较小的负值，较大程度地改变此合金的δ，较小程度改变ΔHmix，从而较明显地改变高熵合金的组织结构且使合金避免落在非晶合金区域或金属间化合物区域，最终获得固溶体相高熵合金。(2)本专利技术通过微量调整铍在合金中的含量，可以实现其在体心立方固溶体(FCC)、面心立方固溶体(BCC)和金属间化合物等相之间的转变。(3)本专利技术通过添加铍，获得了具有高强度、高硬度、低密度以及高比强的晶态高熵合金，该合金的比强度不小于2.2×105N·m/kg，密度不大于8.205g/cm3，压缩屈服强度不低于167MPa，压缩断裂强度不低于1700MPa，维氏硬度不低于211HV，且随着铍含量的增加，除密度下降外，其他性能都显著增强。附图说明图1为合金相选择判据示意图。图2例示了(CoCrFeNi)1-xBex高熵合金的XRD图谱。图3例示了(CoCrFeNi)1-xBex高熵合金的SEM图像。图4例示了(CoCrFeNi)1-xBex高熵合金的室温压缩应力-应变曲线。图5例示了(CoCrFeNi)1-xBex高熵合金的压缩屈服强度变化趋势曲线。图6例示了(CoCrFeNi)1-xBex高熵合金的压缩断裂强度变化趋势曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。一般而言，合金成分计算由混合焓(ΔHmix)和原子尺寸差(δ)来判定，其公式为：N：合金的组元数；ci：第i种元素的原子分数；ri：第i种元素的原子半径；合金平均原子半径；第i种元素与第j种元素相互作用的参数。如图1所示，S标记的区域中，只有固溶体形成；S’为标志的区域，合金仍以固溶体为主，而对于一些多主元高熵合金，则有微量的有序固溶体会沉淀出来；B1和B2为标记的两个区域为非晶合金；而C为标记的区域为金属间化合物。然而，由于铍原子尺寸相比一般金属元素较小，原子尺寸差较大，同时与大部分金属元素的负混合焓值较大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶态含铍高熵合金材料，其特征在于，所述晶态含铍高熵合金材料包括单质元素铍、钴、铬、铁和镍，或者包括单质元素铍与钴铬铁镍的合金元素，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)1‑xBex，0＜x≤0.225。

【技术特征摘要】
1.一种晶态含铍高熵合金材料，其特征在于，所述晶态含铍高熵合金材料包括单质元素铍、钴、铬、铁和镍，或者包括单质元素铍与钴铬铁镍的合金元素，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)1-xBex，0＜x≤0.225。2.如权利要求1所述的晶态含铍高熵合金材料，其特征在于，该合金包含体心立方固溶体、面心立方固溶体或金属间化合物相中一种或多种。3.如权利要求1所述的晶态含铍高熵合金材料，其特征在于，该合金的比强度不小于2.2×105N·m/kg，密度不大于8.205g/cm3，压缩屈服强度不低于167MPa，压缩断裂强度不低于1700MPa，维氏硬度不低于211HV。4.如权利要求1所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)0.96Be0.4。5.如权利要求1所述的晶态含铍高熵合金材料，其成分原子百分比组成为(CoCrFeNi)0....

【专利技术属性】
技术研发人员：龚攀，王新云，李方伟，王颖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42