一种低铱铂基高温合金以及高通量筛选与制备方法与流程

本发明属于合金制备，具体涉及一种低铱铂基高温合金以及高通量筛选与制备方法。

背景技术：

1、铂基合金是1600℃级高温结构件的重要候选材料，其中铂铱系合金因高熔点、优异的高温化学稳定性及面心立方（fcc）单相固溶结构而备受关注。但工程用pt-ir合金多采用高铱配比（如pt-20ir、pt-30ir），铱储量极低、价格高昂，制约了规模化应用，故研发铱含量≤12wt.%的低铱铂基合金成为核心需求。

2、为弥补低铱化带来的强度下降，研究者尝试添加w、mo、ta等难熔元素进行固溶强化。但难熔元素的加入在提升强度的同时往往伴随着塑性损失，且部分元素还面临高温氧化挥发或晶界偏聚等问题；更重要的是，难熔元素在铂基体中的扩散速率普遍较低，通过常规热处理构建均匀的成分分布或连续的成分梯度难度大。现有研究多采用“单炉试错法”进行成分筛选，研发周期长、贵金属消耗大。

3、近年来，扩散多元节技术作为高通量实验方法，已被用于加速合金成分筛选，可在单次实验中获取连续的成分梯度层，结合微区表征实现成分-性能的快速映射。然而，现有扩散多元节技术在铂基贵金属合金体系中的应用仍存在以下不足：

4、其一，扩散层宽度有限，难以满足高通量表征的需求。放电等离子烧结（sps）法制备的扩散多元节扩散层厚度仅为50～80μm（cn112091211a），限制了后续微区成分与性能表征的有效数据量。热等静压（hip）法虽可获得相对更宽的扩散层，但高温扩散退火时间通常长达168～240h，工艺效率较低。

5、其二，包套材料与铂基合金高温处理需求不匹配。 现有包套多选用304不锈钢或与基体成分相同的金属（cn117845026b、cn114438391b），不锈钢在1350℃以上强度显著下降且fe、cr等元素可能扩散污染基体；同基体金属包套则难以兼顾高温承力与化学惰性的双重需求。

6、其三，扩散源元素组合缺乏系统化预筛选。 现有扩散多元节的元素选择多依赖设计者经验确定，缺乏针对铂基合金体系的定量化筛选指标，导致成分窗口宽、试错成本高，削弱了高通量筛选的效率优势。

技术实现思路

1、为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提出一种低铱铂基高温合金以及高通量筛选与制备方法，采用第一性原理计算对候选元素进行预筛选以压缩成分窗口，通过环绕式扩散多元节结构实现多种元素及其组合的平行对比，采用高纯钽包套防止高温氧化与杂质污染，并结合热等静压与两步固溶处理构建宽幅连续成分梯度层，得到目标合金体系。

2、本发明提供一种低铱铂基高温合金的高通量筛选方法，包括如下步骤：

3、（1）采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对候选改性元素进行预筛选，得到六种候选改性元素；

4、（2）各扩散源块经表面打磨抛光后，按环绕式排列组装于中心基体周围，采用高纯钽片包覆封装，电子束焊接密封得到组合件；中心基体为pt-10ir合金；

5、（3）将组合件先热等静压，然后进行两次固溶处理得到充分扩散的组合件；

6、（4）在扩散后组合件的梯度带上进行纳米压痕点阵测试，获取硬度和压入位移，并结合电子探针进行微区成分定量分析；以硬度作为局域强度的评估指标，以压入位移及卸载后的残余位移作为局域塑性的相对评估指标，得到目标合金体系。

7、优选的，步骤（1）中，以pt-10ir合金为基体，分别构建金属元素的置换固溶模型，计算不同候选元素引入前后的体系总能、置换形成能及晶格结构变化，评价其在pt-ir基体中的固溶可行性和结构稳定性。具体筛选判据如下：计算各候选元素的置换形成能，当置换形成能≤0.5 ev/atom时，判定该元素在热力学上允许置换固溶；当置换形成能＞0.5 ev/atom时，判定该元素难以稳定固溶或易发生偏析，予以剔除。同时计算引入候选元素后引起的晶格畸变率，当晶格常数变化率超过±5%时，判定为晶格严重畸变、结构失稳，予以剔除。在形成能与畸变率均满足要求的前提下，优先选择使体系总能降低幅度最大的候选元素。据此剔除热力学稳定性较差的元素，缩小候选改性元素及成分范围。

8、优选的，所述金属元素包括re、w、mo、ta、zr、ni元素。

9、优选的，所述扩散源块为pt-10ir-4ni、pt-10ir-10w、pt-10ir-11zr、pt-10ir-6mo、pt-10ir-1ta、pt-10ir-6re。

10、优选的，所述热等静压的温度为1350~1450℃，压力为100 mpa，时间为4 h。

11、优选的，所述两次固溶处理具体包括：第一固溶处理的温度为1450~1550℃，时间为4 h，第二固溶处理的温度为1550~1600℃，时间为8h。

12、优选的，硬度与残余位移均满足硬度≥370 hv且压入位移≥1195 nm的筛选阈值，锁定为目标合金体系。

13、硬度与残余位移的综合匹配较优，目标合金体系为pt-10ir-zr-mo；

14、硬度与残余位移的综合匹配较优，目标合金体系为pt-10ir-w-zr；

15、硬度和残余位移均处于高位，强塑性协同效果最优，锁定目标合金体系为pt-10ir-zr-mo-w。

16、本发明还要求保护一种低铱铂基高温合金，包括如下组分：pt 83~85 at.%，w 0.2~2 at.%，zr 6~7 at.%，余量为ir；或pt 85~86 at.%，mo 0.1~1.2 at.%，zr 5~7 at.%，余量为ir；或pt 83~86 at.%，w 0.26~1.25 at.%，zr 4.66~6.95 at.%，mo 0.4~1.34 at.%，余量为ir。

17、优选的，所述低铱铂基高温合金为面心立方单相固溶体结构，无有害脆性金属间化合物析出；晶粒均匀等轴。

18、本发明所述低铱铂基高温合金的制备方法包括：真空电弧熔炼、均匀化退火、热轧及去应力退火制备的低铱铂基高温合金。

19、优选的，所述真空电弧熔炼的真空度≤5×10-3pa；均匀化退火的温度为1100~1150℃，时间为4h；热轧的温度为1200~1300℃。热轧分为粗轧和精轧两道工序，其中，粗轧采用工作辊直径300mm的二辊轧机，累计变形量达到55%~60%，精轧采用辊径30mm的四辊精轧机，自铸锭至成品板材的总变形量控制在80%~82%，全程终轧温度不低于800℃，轧制结束后立即水冷至室温；去应力退火的温度为1080~1100℃，时间为2h。

20、本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

21、本发明采用基于第一性原理预筛选的扩散多元节筛选方法，通过理论计算确定候选元素组合与热处理窗口，构建连续的成分梯度层，结合纳米压痕与电子探针微区分析进行微区测试。该方法能在单次实验中同步获取不同成分点的力学数据与元素含量，一次实验即可完成多种候选元素及其组合的平行筛选与评估，显著缩短了成分配比的筛选周期；同时微区测试所需的试样体积较小，减少了铂、铱等贵金属原料的消耗。并且筛选得到的合金通过zr-mo和w-zr的协同固溶强化，在保持低铱含量的同时实现了强度与塑性的良好匹配。