一種多主元Laves基金屬間化合物及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于合金材料設計領域，更具體地說，涉及一種多主元Laves基金屬間化 合物及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 八82型Laves金屬間化合物預期使用溫度介于鎳基高溫合金和工程陶瓷之間，是 我國參與國際宇航、武器裝備、大功率發動機競爭，具有重大研宄價值的超高溫合金待選材 料之一，且其在儲氫和電磁材料領域也具有良好的應用前景。目前，Laves相的研制主要集 中在二元和三元合金領域，成分上皆以單一元素為主要元素，即單一組元的含量一般大于 50%，典型的成分主要有NbCr2、TiCr2、ZrCr2、ZrCo2、ZrNi2、Zr(Cr，Fe)2等。
[0003] 中國專利申請日為2000年11月9日，申請公開號為CN1353204A的專利申請文 件公開了一種高亂度多元合金，其是由復數種金屬元素所熔鑄或合成而成的合金，含有5 至11種主要金屬元素，且每一種主要金屬元素的摩爾數與該合金總摩爾數比介于5%至 30%之間。可見，該類合金已脫離了傳統以一種元素為主的合金設計理念，其合金成分設計 的目的主要是利用多主元成分高亂度引起的高熵效應，促進凝固后形成簡單的fee或bcc 固溶體主要相，獲得具有高強度的超飽和固溶體結構。根據合金系統自由能越低越趨于 穩定的熱力學原則，該類合金在高溫下混亂度變得更大，使其固溶體還具有良好的高溫穩 定性能，為新型高溫結構金屬的研制提供了新的思路。中國專利申請日為2013年4月19 日，申請公開號為CN103194657A的專利申請文件公開了一種具有簡單bcc固溶體結構的 熵合金材料及其制備方法，x為摩爾比，x取值范圍為0. 5~2,所述合金 材料制備方法為：先將原材料置于丙酮、乙醇溶液中，用超音波震蕩器清洗20~30分鐘，后 置于50°C烘箱中烘干6小時，再將合金按摩爾比稱好，放入水冷銅坩堝內，當爐體內氣壓達 到3Xl(T3Pa后充入高純氬氣清洗3~5次，再充入高純氬氣使爐腔保持0. 8~0. 9個大氣 壓后通電，熔煉起弧電流為30~40A，穩定后電流為90A，合金每熔煉一次用時10s，樣品需 反復熔煉5次，待熔樣成分均勻冷卻后取出合金。但已報道的高熵合金性能仍主要取決于 其固溶體基體。由于，bcc或fee體心立方結構的固溶體高溫性能與拓撲密排結構的金屬 間化合物仍會存在一定的差距，因此，進一步突破多主元高亂度合金簡單固溶體結構的設 計限制，開發一種具有高熵效應的新型金屬間化合物，在合金設計領域不僅具有開拓性和 前瞻性，而且對工業上高溫結構材料領域的需求與應用無疑具有重要的價值。
【發明內容】
[0004] 1.要解決的問題
[0005] 針對現有多主元高熵合金性能仍不能滿足高溫結構材料領域的需求與應用 的問題，本發明提供一種多主元Laves基金屬間化合物及其制備方法，其組成元素為 FeCoNiCrxZr，主要相為Laves金屬間化合物，或在Laves相基體上含少量bee結構的固溶 體，本發明的多主元Laves基金屬間化合物具有良好的耐熱性能和硬度，可應用于工業上 接近1100°c的高溫結構材料領域。
[0006] 2.技術方案
[0007] 為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：
[0008] -種多主元Laves基金屬間化合物，由Fe、Co、Ni、Cr和Zr五種元素按摩爾比 1:1:l:x:l組成，其中x的取值范圍為0.5~1。
[0009] 優選地，所述的Laves基金屬間化合物的制備原料為純度不低于99%的Fe、Co、 Ni、Cr和Zr。
[0010] 上述的一種多主元Laves基金屬間化合物的制備方法，其步驟為：
[0011] (1)原料前處理：用機械方法去除？6、(：〇、附、0和21'原料表面的氧化層；
[0012] (2)配料：按比例稱取Fe、Co、Ni、Cr和Zr原料，混合均勻；
[0013] (3)電弧爐熔煉：將步驟⑵中混合好的原料放入真空電弧爐中，將爐體抽真空后 再充入惰性氣體，在惰性氣體的保護下進行熔煉，熔煉電流為250±30A，時間為30~60s; 待樣品冷卻后將其翻轉繼續進行熔煉，如此重復熔煉至少4次；
[0014] (4)鑄模成型：將熔煉好的原料鑄入模具中獲得Laves基金屬間化合物試樣；
[0015] (5)熱處理：將步驟（4)中得到的Laves基金屬間化合物試樣置于真空爐中進行 熱處理得到上述的Laves基金屬間化合物，熱處理溫度為650~950°C，熱處理時間為2~ 10小時。
[0016] 優選地，所述的步驟（2)中采用感應量為0.lmg的電子天平稱取原料。
[0017] 優選地，所述的步驟（3)中電弧爐為WK型非自耗真空電弧爐，所述的惰性氣體為 純度多99. 9 %的氬氣。
[0018] 優選地，所述的步驟（3)中當爐體內真空度達到5Xl(T3Mpa后充入惰性氣體。
[0019] 上述的一種多主元Laves基金屬間化合物在1100°C以下的高溫結構材料領域中 的應用。
[0020] 本發明的創新點：現有多主元高熵合金成分設計的主要目標是獲得fee或bcc結 構的簡單固溶體相，從而獲得綜合的強度和韌性，并且研宄發現高熵效應可賦予多主元固 溶體較高的結構穩定性，但體心立方結構固溶體的高溫使用性能與拓撲密排結構的金屬間 化合物相比仍具有先天的不足。
[0021] 本發明基于多主元合金的高熵效應有利于合金相結構高溫穩定的熱力學基礎理 論，提供一種多主元Laves基金屬間化合物及其制備方法，其組成元素為FeCoNiCrxZr， 主要相為Laves金屬間化合物，或在Laves相基體上含少量bcc結構的固溶體，本發 明的多主元Laves基金屬間化合物高j：商效應及拓撲密度結構特征使硬度高達800~ 900HV，具有接近1100°C的結構穩定性和抗回火軟化性能，同時還具有良好的高溫時效 強化效果，可應用于工業上1100°C以下的高溫結構材料領域。本發明中各元素的原子 半徑分別為：Zr(1.59A)、Fe(1.26A)、Co(1.25A)、Ni(1.24A)、Cr(1.28A)， 經計算，Zr與Fe、Co、Ni的原子半徑比均約為1. 27,非常接近有利于八82型Laves相形 核的理論最佳原子半徑RA/RB比值1. 225,因此在本發明中，多主元AB2型Laves相中A 組分的合金元素主要為大原子半徑元素Zr(1.59A)，小原子B組元位置成分主要為Fe(1.26A)、Co(1.25A)、Ni(1.24A)、Cr(1.28A)，而原子半徑相對略大的Cr也可能 部分占據大原子A位置處，以補足因Zr原子添加量的不足而在A原子位置留下的空位，最 終形成八132型多主元Laves相金屬間化合物。
[0022] 3.有益效果
[0023] 相比于現有技術，本發明的有益效果為：
[0024] (1)本發明的多主元Laves基金屬間化合物具有極高的硬度，由于Laves相拓撲密 排結構是由大小不同的原子適當配合，得到全部或主要是四面體間隙的復雜結構，其空間 利用率及配位數均很高，點陣空間間隙小。因此，拓撲學晶體結構特點決定了該類型金屬間 化