一种超高硬度硅掺杂轻质高熵合金及其制备方法

本发明实施例涉及高熵合金，具体涉及一种超高硬度硅掺杂轻质高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金被定义为至少含有5-13种原子并且每种主元的原子分数在5％-35％之间的合金，故又名多主元合金，这种特殊的设计理念赋予其优良的综合性能：高硬度和强度、良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温氧化和软化以及众多的功能特性。早期的高熵合金主要基于3d过渡族元素、难熔元素或者稀土元素，密度相对较高，从而极大限制了其应用。

2、面对日益严峻的能源和环境问题，对材料实施“减重计划”显得尤为重要。轻质高熵合金是基于al、li、mg、ti、si等轻质元素开发的一类新型高熵合金，具有低密度、高比硬度、高比强度、耐腐蚀性以及抗高温氧化的独特优势。这些优势使得轻质高熵合金在航空航天以及生物医学领域极具应用潜力。然而，现有轻质合金材料(铝合金、镁合金、钛合金)由于较高的制造成本以及有限的性能限制了其在实际工程中更广泛的应用。在这种趋势下，材料的轻量化在高熵合金领域受到了广泛的关注，被列为高熵合金发展的重点之一。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供一种超高硬度硅掺杂轻质高熵合金及其制备方法，以解决现有技术中由于轻质合金材料较高的制造成本以及有限的性能而导致的限制了其在实际工程中更广泛的应用的问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、根据本发明实施例的第一方面，本发明实施例提供一种超高硬度硅掺杂轻质高熵合金，所述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金由纯度高于99.99％的al、cr、cu、fe、si单质金属按照al2crcufesix配制后，其中x＝0.5～2.0，并通过真空感应熔炼制得。

4、进一步地，所述al2crcufesix高熵合金的主元按照原子比进行混合。

5、进一步地，所述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的硬度为637.02-769.78hv。

6、其中，通过引入si元素来实现高熵合金的超高硬度的理由在于，与其他非金属元素相比，si具有更多的负混合焓和与金属原子更为接近的原子半径，这有助于更好的与其他主元进行结合，并且更容易形成硅化强化相；另外，由于原子半径差异，诱导了晶格畸变的产生，这些特性共同促进了该高熵合金体系固溶强化以及第二相强化等强化机制，从而达到提高硬度的强力效果。

7、根据本发明实施例的第二方面，本发明提供上述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

8、(1)配料：采用电子天平进行精确称量纯度高于99.99％的al、cr、cu、fe、si高纯单质金属，按照原子比al2crcufesix，其中x＝0.5～2.0，进行配制得到原料，并将原料浸泡在无水乙醇中进行超声波振荡清洗，以清除表面的油污及氧化皮，最后将准备好的原料烘干备用；

9、(2)熔炼：用高纯氩气对反应炉腔进行净化，并将反应炉膛真空压力泵至1×10-4量级，并引入高纯氩气作为保护气体，将步骤(1)配制好的原料按照熔点由低到高的顺序分别放置于坩埚中，并将坩埚放入反应炉中，进行真空感应熔炼；

10、(3)浇筑：将步骤(2)熔炼得到的高熵合金熔体浇筑进水冷铜模中，得到高熵合金锭；

11、(4)机械加工：将步骤(3)得到的高熵合金锭通过切割机加工成合适尺寸，切割后的试样依次用sic水砂纸逐级打磨，至表面光亮后，再浸泡在无水乙醇中进行超声波振荡清洗，干燥后即得所述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金。

12、进一步地，步骤(1)中，所述电子天平的精度为±0.001g。

13、进一步地，步骤(2)中，用高纯氩气对反应炉腔进行净化2-4次。

14、进一步地，所述坩埚包括石墨坩埚和刚玉坩埚。

15、进一步地，步骤(2)中，熔炼至1700-1900℃后，保温1-2h。

16、进一步地，步骤(4)中，所述sic水砂纸的目数为240-2000#。

17、其中，真空感应熔炼是利用电磁感应过程产生的涡电流来使金属熔化，此方法的优点在于活性元素更易于控制且熔炼速度更快，元素的蒸发烧损较少，并且在感应电流产生的电磁搅拌作用下可使合金熔体更加均匀，almgzncusi系、allimgznsn系以及mgznmnsnnd系高熵合金均是利用感应熔炼法制得的；因此，对于存在低熔点活性金属元素的轻质高熵合金体系，采用真空感应熔炼法制备是最为合适的。

18、本发明实施例具有如下优点：

19、1、本发明以轻质高熵合金体系为模板，以al和si两种轻质元素来实现低密度，并选择cr、cu、fe这些使用非常广泛的金属元素来合成alcrcufesi系轻质高熵合金，原料成本低，元素间电负性差异小，物化性质相近，对于合金熔炼较为理想，并采用真空感应熔炼，熔炼过程易于控制，合金主元烧损较少，最终得到的成品有成分均匀和性能良好等优点；

20、2、本发明选择alcrcufesi系轻质高熵合金不仅密度低，而且在硬度最高的元素cr以及添加元素si的作用下，使合金具有高比硬度的优良特性，较普通金属材料具有突出的优势。

1.一种超高硬度硅掺杂轻质高熵合金，其特征在于，所述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金由纯度高于99.99％的al、cr、cu、fe、si单质金属按照al2crcufesix配制后，其中x＝0.5～2.0，并通过真空感应熔炼制得。

2.根据权利要求1所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金，其特征在于，所述al2crcufesix高熵合金的主元按照原子比进行混合。

3.根据权利要求1所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金，其特征在于，所述超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的硬度为637.02-769.78hv。

4.权利要求1-3中任一项所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述电子天平的精度为±0.001g。

6.根据权利要求4所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，用高纯氩气对反应炉腔进行净化2-4次。

7.根据权利要求4所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，所述坩埚包括石墨坩埚和刚玉坩埚。

8.根据权利要求4所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼至1700-1900℃后，保温1-2h。

9.根据权利要求4所述的超高硬度硅掺杂轻质高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述sic水砂纸的目数为240-2000#。