用于石化装备领域的新型高强耐腐蚀中熵合金及其制备方法

本发明涉及中熵合金材料，具体涉及一种用于石化装备领域的新型高强耐腐蚀中熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、石化装备在运行过程中常面临高温、高压、强腐蚀介质（如盐酸、硫化氢、原油中的酸性杂质等）的协同作用，对材料的力学性能和耐腐蚀性能提出了严苛要求。传统石化装备用材料如不锈钢、镍基合金等，虽然具有一定的耐腐蚀性，但在极端工况下仍存在强度不足、腐蚀失效等问题，导致装备使用寿命缩短、维护成本增加，甚至引发安全事故。

2、中熵合金作为一种新型多主元合金，通过多种元素的协同作用形成简单固溶体结构，展现出高强度、高硬度、优异的耐腐蚀性和热稳定性等特点，为解决传统材料的性能瓶颈提供了新方向。然而，现有中熵合金在石化装备领域的应用仍存在诸多不足：部分中熵合金虽然强度较高，但塑性较差，难以满足装备加工成型需求；一些耐腐蚀性较好的合金则强度偏低，无法承受高压工况；同时，简单电弧熔炼制备的中熵合金存在晶粒粗大、组织不均匀等问题，进一步影响其综合性能的稳定性。

3、因此，开发一种兼具高强度、良好塑性和优异耐腐蚀性的中熵合金材料，并优化其制备工艺，使其能够适应石化装备的严苛服役环境，具有重要的工程应用价值和现实意义。

技术实现思路

1、为了解决现有石化装备用合金材料强度与耐腐蚀性难以兼顾、服役稳定性差的问题，本发明提供了一种新型高强耐腐蚀中熵合金及其制备方法。

2、本发明采用真空电弧熔炼结合定向凝固的制备工艺，制得的中熵合金抗压强度达1766mpa，塑性应变超100%，适用于石化行业高温高压、强腐蚀工况下的关键装备（反应器、换热器、输送管道等）制造，工业应用前景广泛。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种中熵合金，化学式：feacrbvcwd；

5、其中，各元素原子质量百分比满足：22%≤a≤24%，45%≤b≤49%，22%≤c≤24%，3%≤d≤11%；并且，a+b+c+d=100%。

6、优选的，一种中熵合金，化学式：feacrbvcwd；

7、其中，各元素原子质量百分比满足：a=23%，b=47%，c=23%，d=7%；可表示为fe23cr47v23w7。

8、fe、cr、v、w的纯度均高于99.9%，原料形态为3~5mm的圆柱形颗粒或块状单质金属，以保证熔炼过程中成分的准确性和均匀性。

9、本发明所述中熵合金的制备方法，包括：

10、s1. 按照各元素原子质量百分比，称取fe、cr、v、w单质原料，备用；

11、具体的，考虑熔炼过程中的元素烧损，每种原料按名义质量的103%进行称重，确保最终合金成分符合设计要求；

12、s2. 将s1准备好的各原料按照熔点由低到高的顺序（fe、cr、v、w）自下而上放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空并通入高纯氩气作为保护气体，去除炉内残留氧气后再进行合金熔炼；熔炼电流为400~500a，反复熔炼7次，每次熔炼时间60~80秒，得到合金铸锭；

13、具体操作：将s1准备好的各原料按照熔点由低到高的顺序（fe、cr、v、w）自下而上放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空至5×10-4pa，通入60pa的高纯氩气（纯度≥99.99wt%）作为保护气体，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，再进行合金熔炼；熔炼电流为400~500a，反复熔炼7次，每次熔炼时间60~80秒，每次熔炼前翻转铸锭，保证合金成分均一，得到纽扣型合金铸锭；

14、s3. 将s2所得合金铸锭加工成金属棒，先用砂纸打磨，再放入无水乙醇中超声清洗，干燥后备用；

15、具体操作：将合金铸锭通过线切割加工成直径8mm的金属棒，先用1200目砂纸打磨去除表面氧化皮和切割痕迹，再放入无水乙醇中，在300w、25~30℃条件下超声清洗15分钟，以去除表面油污和杂质，干燥后备用；

16、s4. 将s3准备好的金属棒置于氧化铝陶瓷坩埚内，放入真空定向凝固炉中，抽真空后通入高纯氩气，升温至1200℃，保温1.5h，随炉冷却至室温，完成中熵合金的制备；

17、具体操作：将s3准备好的金属棒置于氧化铝陶瓷坩埚内（确保金属棒与坩埚内壁紧密贴合），放入真空定向凝固炉中，抽真空至2×10-3pa，通入50pa高纯氩气，升温至1200℃，保温1.5h（使金属棒成分均匀），随炉冷却至室温，完成中熵合金的制备。

18、本发明所述中熵合金可用于石化领域关键装备的制造。

19、本发明的有益效果：

20、一、成分设计科学合理：cr元素的高含量（原子百分比45%~49%）能在合金表面形成致密稳定的cr2o3钝化膜，有效抵御腐蚀介质的侵蚀，显著提升合金的耐腐蚀性；w和v元素具有较大的原子半径，加入后形成明显的晶格畸变效应，实现固溶强化，同时促进高强度bcc相的生成，提升第二相强化效果；fe元素作为基体元素，保证合金具有良好的塑性和加工性能，各元素协同作用使合金兼具高强度和优异耐腐蚀性。

21、二、制备工艺优化：采用真空电弧熔炼反复熔炼7次，有效保证了合金成分的均匀性，避免了成分偏析；定向凝固技术的应用使合金形成方向单一的柱状树枝晶组织，减少横向晶界，避免拉伸过程中裂纹沿横向晶界快速扩展，同时细化晶粒，增加晶界含量，提升晶界强化作用，进一步提高合金强度和塑性。

22、三、综合性能优异：本发明中熵合金抗压强度超过1766mpa，延伸率100%，在650℃空气环境中放置48小时后，氧化速率常数k为0.522，远优于传统石化装备用合金材料；同时，制备方法操作简单、稳定性高、生产成本可控，适合大规模工业化生产。

1.一种中熵合金，其特征在于，化学式：feacrbvcwd；

2.如权利要求1所述中熵合金，其特征在于，化学式：feacrbvcwd；

3.如权利要求1或2所述中熵合金，其特征在于，fe、cr、v、w的纯度均高于99.9%，原料形态为3~5mm的圆柱形颗粒或块状单质金属。

4.如权利要求1所述中熵合金的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，s2操作如下：将s1准备好的各原料按照熔点由低到高的顺序自下而上放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空至5×10-4pa，通入60pa的高纯氩气作为保护气体，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，再进行合金熔炼；熔炼电流为400~500a；反复熔炼7次，每次熔炼时间60~80秒，每次熔炼前翻转铸锭，保证合金成分均一，得到纽扣型合金铸锭。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，s4操作如下：将s3准备好的金属棒置于氧化铝陶瓷坩埚内并确保金属棒与坩埚内壁紧密贴合，放入真空定向凝固炉中，抽真空至2×10-3pa，通入50pa高纯氩气，升温至1200℃，保温1.5 h使金属棒成分均匀，随炉冷却至室温，完成中熵合金的制备。

7.如权利要求1所述中熵合金在石化领域关键装备制造中的应用。