一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料及其制备方法和应用。所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，按原子比计，Al：Co：Cr：Ni：Ti＝1：1：1：1：0.05～1。其显微组织由A2相B2相和少量σ相组成，且硬度和韧性综合性能良好。本发明专利技术中的高熵合金材料，在高温空气氧化环境下一方面能形成致密Al2O3和Cr2O3膜或(Al，Cr)2O3混合氧化膜保护基体，另一方面生成的氧化膜具有较好韧性且与基体热膨胀系数有良好的适配关系，使之具有优异的抗剥落性，基于上述两点，从而使本发明专利技术的高熵合金材料具有优异的抗氧化性能。优异的抗氧化性能。优异的抗氧化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高熵合金制备
，尤其涉及一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在航空航天、冶金和核能等领域，高温环境不可避免，比如燃气轮机室和航空发动机室，零部件受到的氧化也更加得剧烈。氧气在高温下与合金元素迅速反应形成各种氧化物，而且可能会使得合金出现孔隙、裂纹甚至是剥落。其热端零部件可能承受重载、磨损或疲劳等等这些严峻考验，加上高温氧化的协同效应更会极大降低零部件的服役寿命。目前常用的铁基、钴基和镍基高温合金在高温下综合力学性能好，应用广泛，然而这三种高温合金高温抗氧化性能均较差。因此开发高温抗氧化材料整体替代传统高温合金，或者以表面涂层的形式保护传统高温合金是有效的方法。高熵合金四大效应中的迟滞扩散效应能抑制高温下氧的扩散，“鸡尾酒”效应也能选择性加入抗氧化元素并产生一些意想不到的协同效用，而高熵效应和晶格畸变效应能保证良好的力学性能因此高熵合金是有望成为新型高温抗氧化材料。而目前所报道的高熵合金高温抗氧化性能只能达到商用抗氧化材料同一水平，甚至更低，并且极容易出现氧化剥落现象。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料。本发所提供的高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料具有非常优异的抗氧化能力，同时可以避免氧化层剥落，因而可以替代传统高温合金或传统高温涂层，以提升热端部件高温抗氧化性能，从而达到延长其服役寿命降低生产成本的目的。
[0004]本专利技术的第二个目的在于提供一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的制备方法。
[0005]本专利技术的第三个目的在于提供一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料，所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，按原子比计，Al：Co：Cr：Ni：Ti＝1：1：1：1：0.05～1。
[0008]本专利技术所提供高熵合金材料，在高温空气氧化环境下，会有效的形成复合氧化膜。氧化外层为TiO2氧化颗粒及少量尖晶石，氧化内层中部份区域形成(Al，Cr)2O3混合氧化膜，部份区域由Cr2O3与Al2O3依次从外到内分层；其中氧化外层中Ti阳离子从基体扩散通过内层混合氧化膜形成外层TiO2颗粒过程当中，有部分Ti元素以氧化物的形式留在混合氧化膜当中。而TiO2比Al2O3、Cr2O3和(Al，Cr)2O3混合物具有更低的热膨胀系数，能改善其韧性。根据Ti、Cr和Al元素三者的氧化物标准自由焓，Ti与O反应的优先级更高，在(Al，Cr)2O3混合氧化膜生长过程中，形成的氧化物能迅速填满其中孔隙从而减少(Al，Cr)2O3混合氧化膜的孔
隙率。而内层氧化膜能避免氧气和合金直接接触，并抑制氧离子向合金内和金属阳离子向外扩散。
[0009]此外，本专利技术所提供的高熵合金材料，在高温氧化环境下，所形成的复合氧化膜热膨胀系数与合金基体有良好的适配性，并且在内层氧化膜中含Ti的氧化物能增强其断裂韧性，使之具有优异的抗剥落性能。基于上述两点，从而使本专利技术的高熵合金材料具有优异的抗氧化性能。
[0010]当然，要能够形成本专利技术氧化膜，控制高熵合金材料的成份在本专利技术范围内，是至关重要的，首先须保持相接近的Al和Cr的原子比，只有这样才能使Al2O3和Cr2O3竞争生长，使之形成(Al，Cr)2O3混合氧化膜。如果Al元素含量过低，发生内氧化，在基体内部形成AlN。另外Al和Ti的原子含量总和不能超过36.17％，否则会使材料高温抗氧化性能和综合力学性能急剧恶化，甚至合金自身开裂导致材料制备失败。
[0011]此外本专利技术高熵合金材料自身所具有的“迟滞扩散效应”对以扩散为主导的高温氧化有抑制作用，不同组元间的相互作用和不同原子半径的差异以及晶格畸变，会对组元间的协同扩散产生影响，从而抑制了合金内部的扩散，进一步的提升抗氧化性能。
[0012]优选的方案，所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，按原子比计，Al：Co：Cr：Ni：Ti＝1：1：1：1：0.1～0.7。
[0013]专利技术人发现，将Ti元素含量控制在上述范围内，使AlCoCrNiTi高熵合金材料的元素占比不超过14.89％，抗氧化性能最优。Ti元素含量不能过高是因为Ti的活性高，Ti增多，大量的Ti阳离子从合金内往外扩散形成大量氧化物颗粒，促使氧离子往合金内部扩散，从而使得抗氧化性能下降。
[0014]优选的方案，所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，显微结构由A2相、B2相、σ相组成，其中A2相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为10～20％，B2相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为75～85％，σ相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为1～5％。
[0015]本专利技术提供的AlCoCrNiTi高熵合金材料中，以A2相、B2相、σ相组成，其中B2相的高温抗氧化性能、力学性能、高温稳定性更好，因此本专利技术通过成分中引入合适比例的Al和Ti，使基体中B2相占比较高，从而提高本专利技术高熵合金材料的高温抗氧化性能。
[0016]本专利技术一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的制备方法，将Al颗粒、含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体按自下而上的次序置于真空电弧熔炼炉中，通过电流引起电弧于含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体的表面，熔炼≥1次，即得AlCoCrNiTi高熵合金材料。
[0017]本专利技术所提供的高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料，由于Al与其他金属的熔点差异非常大，本专利技术采用颗粒状态的Al置于真空电弧熔炼炉的下方，而采用含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体置于上方，采用在电流引起的电弧打到含Co、Cr、Ni、Ti粉末表面时，此时含Co、Cr、Ni、Ti粉末在慢慢熔化，随着时间的延长，熔化的混合液可以完整得包裹住底下的Al颗粒，并使其得以熔化，避免其挥发，本专利技术中，高熔点材料用混合粉末压块，低熔点材料用颗粒。低熔点元素用颗粒材料可以防止熔炼时因蒸发而过度损耗，高熔点元素用混合粉末压制成的块体防止熔不均匀的现象，压制成块能防止粉末被电弧吹散。采用本专利技术的原料状态以及熔炼方式，可以获得均匀的，成份符合设计比例的AlCoCrNiTi高熵合金材料。
[0018]优选的方案，所述Al颗粒的粒径为1～2mm。专利技术人发现，Al颗粒的粒径需要有效控制，若粒径过小，则不能起到避免Al挥发而过度损耗的作用，粒径太大则会使的混合块体粉
末不能完全覆盖住Al颗粒，使得电弧仍直接打在上面使之蒸发损耗。
[0019]优选的方案，所述含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体的制备过程为：按设计比例配取Co粉末、Cr粉末、Ni粉末、Ti粉末，球磨混合，获得混合粉，然后于混合粉中加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料，其特征在于：所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，按原子比计，Al：Co：Cr：Ni：Ti＝1：1：1：1：0.05～1。2.根据权利要求1所述的一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料，其特征在于：所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，按原子比计，Al：Co：Cr：Ni：Ti＝1：1：1：1：0.1～0.7。3.根据权利要求1或2所述的一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料，其特征在于：所述AlCoCrNiTi高熵合金材料，显微结构由A2相、B2相、σ相组成，其中A2相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为10～20％，B2相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为75～85％，σ相在AlCoCrNiTi高熵合金材料中的体积分数为1～5％。4.权利要求1
‑
3任意一项所述的一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的制备方法，其特征在于：将Al颗粒、含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体按自下而上的次序置于真空电弧熔炼炉中，通过电流引起电弧于含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体的表面，熔炼≥1次，即得AlCoCrNiTi高熵合金材料。5.根据权利要求4所述的一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al颗粒的粒径为1～2mm。6.根据权利要求4所述的一种高温抗氧化AlCoCrNiTi高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述含Co、Cr、Ni、Ti粉末的混合块体的制备过程为：按设计比例配取Co粉末、Cr粉末、Ni粉末、Ti粉末，球磨混合，获得混合粉，然后于混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹付成，高杰，杨熠，张卫兵，杨祥云，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：