一种Si、V协同合金化的CrFeNiTa基高熵合金及其制备方法

本发明涉及高熵合金材料的成分设计与制备，具体涉及一种si、v协同合金化的crfenita基高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金采用多主元成分设计理念，能够通过不同合金元素之间的相互作用获得较大的相结构与显微组织调控空间。crfeni基多主元合金通常以面心立方固溶体为基体，具有较好的塑性和加工性能，但其强度及硬度仍有进一步提升的空间。向该类合金中引入ta等元素，可通过固溶强化及第二相强化提高合金的承载能力；然而，若形成粗大或连续分布的硬脆金属间化合物，容易在变形过程中引起应力集中和裂纹萌生，从而造成合金强度与塑性难以兼顾。因此，合理调控第二相的种类、含量及分布，是改善crfenita基高熵合金综合力学性能的关键。

2、元素合金化是调节高熵合金相组成和力学性能的重要手段。文献《microstructure and mechanical properties of novel si-added crfeni medium-entropy alloy prepared via vacuumarc-melting》研究发现，si的加入能够诱导crfeni基合金中形成富cr、si的σ相，并通过阻碍位错和晶界迁移促进晶粒细化，从而提高合金的强度及显微硬度；但随着σ相含量增加，合金的塑性随之下降。由此可见，si元素虽然能够对crfeni基合金产生明显的强化作用，但其引起的硬脆相析出也可能进一步加剧强度与塑性之间的矛盾。

3、对于crfenita基高熵合金，ta元素容易与cr等元素形成tacr2硬脆金属间化合物。该相能够产生一定的第二相强化作用，但其含量和分布状态控制不当时，会成为裂纹萌生及扩展的有利位置。si、v的协同加入不仅会改变两种元素在面心立方基体中的固溶状态，还会影响ta、cr、fe等元素之间的竞争成相行为，进而改变tacr2相及其他金属间化合物的形成与分布。si、v添加量不足时，原有硬脆相难以得到有效调节；添加量过高时，又可能造成新的金属间化合物过量析出。因此，如何通过si、v等原子比协同添加并结合适当的制备工艺，调控crfenita基高熵合金中的第二相演变，在发挥强化作用的同时避免明显的塑性损失，是该合金体系需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有crfenita基高熵合金中硬脆金属间化合物难以有效调控，以及合金强度与塑性难以兼顾的问题，提供一种si、v协同调控的crfenita基高熵合金及其制备方法。通过等原子比加入si和v，调节合金的相组成和显微组织，实现对合金力学性能的有效调控。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、首先，本发明提供一种si、v协同调控的crfenita基高熵合金，其化学式为cr23.75-0.475xfe23.75-0.475xni47.5-0.95xta5-0.10xsixvx，化学式中各下标表示相应元素的原子比，si与v的原子比为1：1，x取值为0≤x≤1.5；进一步地，所述x优选为0、0.5、1.0或1.5。

4、当x＝0时，所述高熵合金由面心立方相和tacr2相组成；当x＝0.5时，tacr2相受到抑制，合金中不再出现可检测的tacr2相，相组成以面心立方相为主；当x＝1.0时，合金中开始形成ta0.5fe2si0.5相；当x＝1.5时，ta0.5fe2si0.5相的含量进一步增加。通过调节x值，能够控制合金中第二相的种类及含量，从而改变合金的强度和塑性。

5、其次，本发明提供上述si、v协同调控的crfenita基高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1、按照所述高熵合金的化学式称取cr、fe、ni、ta、si和v原料，所述原料的纯度均不低于99.99％，原料形态均为颗粒状。

7、步骤2、当x>0时，将cr原料和si原料置于真空熔炼炉底部，将fe、ni、ta和v原料置于cr原料和si原料的上方；当x＝0时，将cr原料置于真空熔炼炉底部，将fe、ni和ta原料置于cr原料上方。将真空熔炼炉的真空度抽至2×10-3pa以下，随后充入氩气，直至真空计示数为600pa。将引弧电流设置为240a，熔炼电流设置为280a，并在熔炼过程中开启电磁搅拌，电磁搅拌电流为0.2a。每次熔炼持续4min，初次熔炼完成后，将所得合金翻面并重复熔炼5次，相邻两次熔炼之间间隔5min，以提高各合金元素分布的均匀性。

8、步骤3、完成熔炼后，将获得的合金熔体吸铸至铜模中，冷却后获得合金铸锭。

9、步骤4、将所述合金铸锭置于管式炉中，在氩气保护条件下，以16.666℃/min的升温速率升温至1200℃，保温7h；保温结束后进行水淬，获得所述si、v协同调控的crfenita基高熵合金。

10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

11、1、本发明在crfenita基高熵合金中以1∶1的原子比协同加入si和v，通过调节两种元素的添加量改变ta、cr、fe等元素之间的竞争成相行为，实现对合金相组成的调控。

12、2、本发明能够有效调节tacr2相及ta0.5fe2si0.5相的形成。当x＝0.5时，原合金中的tacr2相受到明显抑制；当x达到1.0时，合金中开始形成ta0.5fe2si0.5相，并且该相的含量随x值进一步增加而增多。

13、3、本发明采用统一的成分表达式表征si、v的协同添加量，明确了si、v添加量与合金相组成演变之间的对应关系，为crfenita基高熵合金的成分设计与组织调控提供了依据。

1.一种si、v协同调控的crfenita基高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的化学式为其中，0≤x≤1.5，化学式中各下标表示相应元素的原子比；当x＞0时，si与v的原子比为1：1。

2.根据权利要求1所述的si、v协同调控的crfenita基高熵合金，其特征在于，所述x取值为0、0.5、1.0或1.5。

3.一种si、v协同调控的crfenita基高熵合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述cr、fe、ni、ta、si和v原料纯度均为99.99％的金属颗粒；配料前，将所用金属颗粒置于无水乙醇中，在25w功率下超声清洗30min，清洗完成后进行干燥；当x＞0时，将cr和si金属颗粒置于真空电弧熔炼炉底部，将fe、ni、ta和v金属颗粒置于cr和si金属颗粒的上方；当x＝0时，将cr金属颗粒置于真空电弧熔炼炉底部，将fe、ni和ta金属颗粒置于cr金属颗粒的上方。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将真空电弧熔炼炉的真空度抽至2×10-3pa以下，随后充入氩气，直至真空计示数为600pa；引弧电流为240a，熔炼电流为280a，电磁搅拌电流为0.2a；每次熔炼时间为4min，初次熔炼并冷却后，将所得合金翻面并重复熔炼5次，相邻两次熔炼之间的间隔时间为5min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述固溶处理是在氩气保护条件下，以16.666℃/min的升温速率升温至1200℃，保温7h，保温结束后进行水淬。