CN117305635B

CN117305635B - 一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN117305635B
Application number: CN202311604924.8A
Authority: CN
Inventors: 杨熠; 王本岳; 尹冰冰; 张娜; 罗琴燕
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2023-11-29
Filing date: 2023-11-29
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2043-11-29
Also published as: CN117305635A

Abstract

本发明公开了一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用，所述制备方法为，将第一份Al颗粒熔化获得Al熔体，将B颗粒加入Al熔体中，冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块，称量包裹B颗粒的Al金属块，获得其中Al的含量，按AlCrTiTaMoB高熵合金材料的设计成份，配取第二份Al颗粒，然后将包裹着B颗粒的Al金属块置于电弧熔炼炉的最底部，第二份Al颗粒、Ti颗粒、Cr颗粒、Mo颗粒、Ta颗粒自下而上的次序堆叠放置于包裹着B颗粒的Al金属块之上，然后进行反复熔炼即得AlCrTiTaMoB高熵合金材料，本发明中提供的高熵合金材料具有优异的高温抗氧化性能、良好的力学性能。

Description

一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高熵合金制备技术领域，具体涉及一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国在航空航天、能源等尖端科技领域的不断发展，高温部件的使用温度对工程机械热力学效率提升的限制日益显著；目前商业上常用的高温合金主要有Fe基、Ni基、Co基高温合金，Fe基高温合金的适用的上限温度一般仅在750℃~780℃，而Ni基、Co基高温合金在900℃以上的超高温工作环境下也会出现灾难性氧化、工件熔化等无法正常工作的情形，因而开发能够在更高温度下稳定工作的新型高温抗氧化合金材料迫在眉睫。高熵合金是指五种或五种以上近乎等原子比的金属组成的合金，多种元素的混合使其具有较高的混合熵，因而高熵合金通常由单一的BCC固溶相组成；难熔高熵合金是含有高熔点金属组元的高熵合金，其在高温下可以保持工件的正常形状并且具有一定的高温抗氧化性，是替代目前商用高温合金的理想候选，但难熔高熵合金的硬度较差且高温抗氧化性仍有很大提升空间，目前已开发的难熔高熵合金材料尚不能完全满足航空发动机与燃气轮机等领域极端部件的使用要求。

现有技术的一种(HfNbTiV)_100-xAl_x（其中x=0~10）体系的新型高温抗氧化高熵合金，这个体系的高熵合金有着极好的室温拉伸屈服强度，力学性能优异；但该体系高熵合金在600℃和700℃的高温抗氧化方面的表现为弱抗氧化性，尚不能替代常见的商用Fe基、Ni基、Co基高温合金。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高温抗氧化的

AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，本发明仅通过熔炼即能够获得成分均匀、符合设计成分的AlCrTiTaMoB高熵合金材料，且能够避免B颗粒炸裂的问题，本发明的制备方法简便可控，成本低，适合进行工业上大规模生产。

本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的AlCrTiTaMoB高熵合金材料，本发明所制备的AlCrTiTaMoB高熵合金材料硬度高，具有优异的高温抗氧化性能。

本发明的第三个目的在于提供上述制备方法所制备的AlCrTiTaMoB高熵合金材料的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，将第一份Al颗粒熔化获得Al熔体，将B颗粒加入Al熔体中，冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块，称量包裹B颗粒的Al金属块，获得其中Al的含量，按AlCrTiTaMoB高熵合金材料的设计成份，配取第二份Al颗粒，然后将包裹着B颗粒的Al金属块置于电弧熔炼炉的最底部，第二份Al颗粒、Ti颗粒、Cr颗粒、Mo颗粒、Ta颗粒自下而上的次序堆叠放置于包裹着B颗粒的Al金属块之上，然后进行反复熔炼即得AlCrTiTaMoB高熵合金材料；

所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料，按原子比计，组成如下：Al 19%~19.8%、Cr 19%~19.8%、Ti 19%~19.8%、Ta 19%~19.8%、Mo 19%~19.8%、B 1%~5%。

本发明的制备方法，先通过将B颗粒加入Al熔体中，迅速冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块，利用低熔点的纯Al事先包覆住B颗粒，之后再与其他金属原料共同熔炼时，将包裹B颗粒的Al金属块置于最底部，然后再按金属颗粒自身熔点大小Al< Ti <Cr< Mo< Ta的顺序依次自下而上的堆叠放置在水冷铜模具中，采用电弧熔炼时，当电弧接触到B颗粒时，其必然被粘稠的低熔点合金熔液有效包裹，从而避免B颗粒炸裂的发生，采用本发明的方式，可以在掺入更多的硼，获得成分均匀、符合设计成分的AlCrTiTaMoB高熵合金材料。

此外，由于Al与高熵合金中其他合金的熔点差异较大，通常在熔炼过程中，Al的损失较大，而本发明先将低熔点的纯Al事先包覆住B颗粒后，再进行熔炼，发明人意外的发现，还可以有效避免Al的损失。

当然，虽然采用本发明的方法，可以掺入更多的硼，但是还是需要将硼的含量控制在本发明范围内，才能够取得好的效果，因为B原子会分布于合金基体的间隙中，这个过程会使得基体晶格畸变的加剧，继而使得合金抗氧化变差，但是若添加的B原子超过合金基体固溶极限，B原子会偏聚在合金基体的晶界处，偏聚在晶界处的B原子会阻碍氧离子通过晶界向内扩散，这会使的合金基体的抗氧化性大幅提升；但过量B原子的添加，会使得其在晶界处形成含B的金属间化合物，这会使合金本身硬度提升，但分布于晶界处的金属间化合物会使得晶界处晶格缺陷增多，B原子填充晶界的作用减弱，从而B原子阻碍氧离子沿着晶界内扩散的作用变差，最终合金基体抗氧化性变差。

此外，在本发明的制备过程中，事先利用低熔点的纯Al包覆住B颗粒是本发明能够掺入更多的硼，获得成分均匀、符合设计成分的AlCrTiTaMoB高熵合金材料的关键，在实际探索过程中，发明人也尝试过其他的形态，如直接采用铝箔包裹住的B颗粒，然后与Al颗粒、Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒共同熔炼，然而由于铝箔过薄且本身质量较少，熔炼过程中，熔炼上方高熔点金属颗粒时，即使熔炼电弧未直接接触到铝箔，辐射的热流也会轻易熔穿铝箔，使得其中的B颗粒提前暴露，继而增大B颗粒接触熔炼电弧发生炸裂的风险，故铝箔无法形成对B颗粒的有效包覆；此外采用Al-B中间合金加入，也不行，由于Al-B中间合金，其中的B并不是以原子的形式单独存在，B原子往往与其中Al原子成离子键，是一种的Al-B的化合物形式，熔炼时无法确保Al-B之间的离子键消失，彼此皆以原子的形式参与到基体BCC、B2型固溶体的结构中，而本发明中，直接将B颗粒加入Al熔体中冷却凝固，是一个快速降温的过程，不会达到Al-B之间成键的条件，从而保证了Al和B均以单质原子的形式的存在，最终所得包裹B颗粒的Al金属块，在熔炼过程中，由于同时有多种金属原子，合金熔液有着较高的混合熵，会抑制金属间化合物的形成，即抑制原子间相互成键，最终使Al原子和B原子彼此保持原子的形式参与到固溶体的形成中，从而形成AlCrTiTaMoB高熵合金材料。

优选的方案，所述Al颗粒、Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒、B颗粒的纯度均≥99.9%。

优选的方案，所述Al颗粒、Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒、B颗粒的粒径为1~3mm。

发明人发现，当原料为本发明粒径范围内的颗粒形态时，熔炼效果最优，无论颗粒过大过小，都会使降低熔炼的均匀性，而过小还会增大损耗。

在本发明中，将熔点高达2076℃的B置于底部，当原料为颗粒形态时，由于颗粒间的间隙，电弧将不可避免的接触到包裹B颗粒的Al金属块，从而可以使B颗粒充分熔化的基础上，由于有粘稠的低熔点合金熔液包裹，从而避免炸裂。

优选的方案，所述第一份Al颗粒的配取量为B颗粒质量的25～28倍。

将第一份Al颗粒的配取量控制在上述范围内可以形成对B颗粒的有效包覆，同时避免Al最终发生过量。

优选的方案，所述Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒、B颗粒均按设计成份比例配取。

优选的方案，将第一份Al颗粒于670℃～760℃熔化获得Al熔体，保温10～20min后，取出Al熔体至室温下，将B颗粒加入Al熔体中，搅拌3次以上，之后待其冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块。

优选的方案，所述B颗粒先采用铝箔包裹。将B颗粒先采用铝箔包裹可以避免熔液飞溅，同时可以一次性投放所需的B颗粒，使B颗粒的质量非常精确且非常符合设计成分，若分批投放，则存在B颗粒还没放完，Al熔液已经凝固的差不多的风险。

优选的方案，所述反复熔炼的过程为，先以不超过5A/s的电流增速使电流增加至180A~190A，熔炼5~10min获得熔体后，再以不超过3A/s的电流增速使电流增加至210~220A，熔炼2~3min，单次熔炼完成后，将所得合金块翻面，再重复上述熔炼操作，将正面熔炼与翻面熔炼计为一次熔炼操作，反复熔炼8~12次。

在本发明中，熔炼时电流增加速度不得过快，过快样品会产生内应力，导致成品开裂，为确保熔炼完成的合金成分均匀，熔炼时电流至少保持在180A~190A及以上，否则熔炼出来的样品会出现成分不均，甚至某些高熔点的金属未熔化，此外，先采用180A熔炼，使各金属颗粒初步熔炼成金属熔液；后续增加到210A使合金熔液内各金属原子充分扩散，使得最终熔炼出的高熵合金成分均匀；若一直采用210~220A的电流，将导致低熔点的Al大量挥发，从而最终合金成分与设计成分相差较大。

在实际的操作过程中，将金属颗粒按自身熔点大小Al< Ti <Cr< Mo< Ta的顺序依次自下而上的堆叠放置在电弧熔炼炉的水冷铜模具中，模具中央放置Ti颗粒，先用机械泵抽低真空，再用分子泵抽高真空，之后通Ar气至气压表示数为0以上，再重复此抽低高真空操作1次，确保炉内空气中没有多余杂质气体，之后通Ar气至气压表示数0以上，开始熔炼；控制钨极头引起电弧，再将电弧移至Ti颗粒上方约3mm处，控制熔炼电流大小为60A, 熔炼约60s，这一过程可消耗熔炼炉内的氧气，若观察到Ti颗粒明显变色，则说明此时炉内仍有大量氧气，需中止熔炼，重新检查熔炼炉气密性，确保炉内气密性良好再重新开炉熔炼；Ti颗粒无明显变色，炉内气密性良好的情况下，此时先将熔炼电流调整至最低，再将电弧移至待熔炼金属原料上方约3mm处，然后开始施加电流。

优选的方案，所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料，按原子比计，组成如下：Al 19%~19.7%、Cr 19%~19.7%、Ti 19%~19.7%、Ta 19%~19.7%、Mo 19%~19.7%、B 1.5%~5%

进一步的优选，所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料，按原子比计，组成如下：Al 19.6%~19.7%、Cr19.6%~19.7%、Ti19.6%~19.7%、Ta19.6%~19.7%、Mo19.6%~19.7%、B 1.5%~2%。发明人发现，采用该优选方案的原子比，最终所得AlCrTiTaMoB高熵合金材料的高温抗氧化性能最优异。

进一步的优选，所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料，按原子比计，组成如下：Al 19%~19.2%、Cr 19%~19.2%、Ti 19%~19.2%、Ta 19%~19.2%、Mo 19%~19.2%、B 4%~5%。发明人发现，采用该优选方案的原子比，最终所得AlCrTiTaMoB高熵合金材料的兼具优异的高温抗氧化性与高硬度，综合性能最优。

本发明还提供上述制备方法所制备的一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料。

优选的方案，所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料由BCC型和B2型固溶体相以及析出相Cr₂Ta相组成。

发明人发现，晶体内Cr₂Ta相的形成与B有关，并且随着B含量的提升，晶体内Cr₂Ta相析出愈多；析出相Cr₂Ta相与基体BCC和B2型固溶体结构之间存在位向差，会阻碍基体发生形变时位错的滑移，继而合金基体的硬度得到提升；更多的Cr₂Ta相会增加晶体内晶界的数量，由于晶界强化作用，合金的的强度、硬度、塑性、韧性等均会提升，不过随着析出相Cr₂Ta相的不断增多，晶界大量增加，由于晶界处原子排列不规则且存在各种晶体缺陷如（空位，位错等），B原子填充晶界的作用减弱，从而高温氧化过程中，B原子阻碍氧离子通过晶界向内扩散的作用减弱，最终使得合金的高温抗氧化性下降。结合实验分析可知，B含量在1～５％时比较合适，其中1.5%B含量时抗氧化性最佳，5%时抗氧化性与硬度的综合性能最优。

优选的方案，所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料的合金显微组织包含富Ta和Mo的枝晶，富Cr、Al、Ti的枝晶间区域，枝晶间区域内的析出相Cr₂Ta相以及大量偏析在晶界处的B原子。

本发明还提供上述制备方法所制备的一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的应用，将所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料作为高温工作部件材料应用于航空发动机、火箭发动机、燃气轮机、汽油或柴油发动机中。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供了一种完善的AlCrTiTaMoB高熵合金材料制备工艺，常规熔炼方式，熔炼起始阶段，无法避免B颗粒与熔炼电弧的直接接触，通过引入熔液包覆的方法，低熔点的Al包覆着B颗粒，当后续熔炼电弧接触到B颗粒时，其必然已被合金熔液完全包覆，从而避免了B颗粒炸裂的发生；相较于通过常规的分次熔炼制备工艺解决B颗粒易炸裂问题，本制备工艺的熔液包覆法，方法简单，操作简便，同时该方法耗能小，污染低，是一种对环境更加友好的制备工艺；发明人的制备方法填补了AlCrTiTaMoB高熵合金材料制备工艺上的空白；本发明所述工艺流程明确，操作简便，可用于工业上的大规模生产。

2.本发明进一步优化了AlCrTiTaMoB高熵合金材料的成分配比，使得AlCrTiTaMoB高熵合金材料在1000℃高温下拥有优异的抗氧化性的同时力学性能更好，当B的含量为1.5%时的高熵合金材料在1000℃下氧化12h单位面积质量增益不超过0.5mg/cm²，合金基体的平均硬度可达625.68HV；当B的含量为5%的高熵合金材料在1000℃下氧化12h单位面积质量增益不超过3.6mg/cm²，合金基体平均硬度可达738.36HV；B添加量的进一步调整，有效改善了AlCrTiTaMoB高熵合金材料的抗氧化性与力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1和2中的AlCrTiTaMoB高熵合金的XRD图。

图2为实施例1和2中的AlCrTiTaMoB高熵合金的铸态基体扫描电镜图,其中图2(a)为实施例1中的AlCrTiTaMoB高熵合金的铸态基体扫描电镜图，图2(b)为实施例1中的AlCrTiTaMoB高熵合金的铸态基体扫描电镜图.

图3为实施例1和2中的AlCrTiTaMoB高熵合金的氧化曲线图。

图4为实施例1和2中的AlCrTiTaMoB高熵合金氧化12h后的XRD图。

图5为实施例1和2中的AlCrTiTaMoB高熵合金氧化12h后氧化层截面的扫描电镜图，其中图5(a)为实施例1中的AlCrTiTaMoB高熵合金氧化12h后氧化层截面的扫描电镜图，图5(b)为实施例2中的AlCrTiTaMoB高熵合金氧化12h后氧化层截面的扫描电镜图。

具体实施方式

现详细说明本发明的示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

本发明所述实施例中的原材料均可从市场购买获得。

本发明公开了一种新型AlCrTiTaMoB高温抗氧化高熵合金材料的制备工艺及相关测试手段，以两个优选的方案作如下所述。

实施例1

一种（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金材料，它的制备工艺及相关高温抗氧化与力学性能测试包括以下步骤：

S1：配料

选用纯度均在99.9%以上粒径1~3mm的Al、Cr、Ti、Ta、Mo、B颗粒，设计其单次熔炼总量为50g，Al:Cr:Ti:Ta:Mo:B(按原子比)=19.7:19.7:19.7:19.7:19.7:1.5，将其换算成质量比，即Al:Cr:Ti:Ta:Mo:B(按质量比)=6.7%：12.8%：44.72%：11.83：23.71%：0.24%，根据其质量比，使用精度为0.0001g的电子天平称量各组元金属颗粒6.4g Cr、22.36g Ti、5.915gTa、11.855g Mo、0.12g B；之后将称量好的不同金属颗粒依次放入无水乙醇中并使用超声波清洗，去除表面污渍，再将其放入真空干燥箱中设置干燥温度80℃使其完全干燥；最后将这些金属颗粒真空封装以便后续进行真空电弧熔炼。

S2：真空电弧熔炼

采用真空电弧熔炼的方式制备AlCrTiTaMoB高熵合金材料，熔液包覆：设置高温箱式炉升温至670℃，往石墨坩埚中放入3.3g的Al颗粒，之后放入高温箱式炉中，保温10min，取出石墨坩埚，并去除表面浮渣确保Al熔液无杂质，之后放入用铝箔包裹住的B颗粒，绕同一方向搅拌3次以上，确保B颗粒均匀分布在熔液各处，之后待其冷却凝固，即得包裹着B颗粒的Al金属块；将该金属块放入无水乙醇中并进行超声清洗，去除表面污渍并干燥，之后使用天平称的含B颗粒的Al金属块质量总重2.9g，去除B颗粒的质量0.12g，之后计算出设计成分中Al的质量(3.35g)与含B颗粒的Al金属块中Al的质量(2.78g)差值为0.57g，这一差值质量后续用Al金属颗粒补齐。

将包裹着B颗粒的Al金属块放置于水冷铜模具最底部，Al、Cr、Ti、Ta、Mo金属颗粒依据熔点大小即Al< Ti <Cr< Mo< Ta的顺序依次自下而上的堆叠放置，水冷铜模具的中间空位放置一颗10g大小的Ti颗粒。打开真空电弧炉的循环水冷系统，先使用机械泵抽低真空15分钟，再使用分子泵抽高真空，抽至气压表示数5*10^-3pa以下，通入Ar气至气压表示数0以上，之后重复此抽低高真空的洗气操作一次即可开始熔炼；通过钨极头引起电弧，使用60A大小的熔炼电流熔炼Ti颗粒约1分钟，这一步骤既可检验熔炼装置的气密性也可消耗抽真空未完全除去的氧；之后调整熔炼电流至最小，再将钨极头移至待熔炼样品上方约3mm处，以不超过5A/S的电流提升速度缓慢增加熔炼电流大小，电流大小增加至180A时熔炼6 min，使金属颗粒基本熔化成液体时，然后以不超过3A/s的电流速度，增大电流至210A，熔炼3min，单次熔炼完成后，将所得合金块翻面，重复上述熔炼操作，将正面熔炼与翻面熔炼计为一次熔炼操作，反复熔炼8次，即可最终制备出成分均匀性能优异的高温抗氧化的AlCrTiTaMoB高熵合金材料。

S3：高温抗氧化测试

使用线切割机将步骤S2熔炼好的纽扣锭合金样品切割成5mm*5mm*10mm的长方体块状样品，分别使用400目、800目、1200目、2000目的SiC砂纸打磨其六个面，再使用粒径为1.5mm的金刚石抛光膏对其抛光，这一步骤要求样品的六个面被打磨抛光到在50倍下金相显微镜观察无明显划痕，之后将打磨好的样品放入无水乙醇中进行超声波清洗，再用吹风机吹干，样品即可用于高温抗氧化测试。

使用高温箱式炉进行高温抗氧化测试，设置高温箱式炉升温至1000℃，放入样品，分别在第0、2、4、6、8、10、12h取出样品并记录样品的质量变化。

S4: 硬度测试

使用线切割机从熔炼好的合金样品上切割一小块金属块，之后使用镶样机将这块金属块热镶（平整面朝下），分别使用400目、800目、1000目、1500目、2000目的SiC砂纸打磨其热镶样品表面，之后使用粒径1.5mm的金刚石抛光膏抛光样品，将样品表面打磨抛光至镜面，50倍金相显微镜观察下的合金样品表面无划痕，再使用无水乙醇超声波清洗去除表面污渍即可开始硬度测试，硬度测试采用的是维氏硬度计，压头为1000g,持续15s,取了五个不同的点进行硬度测试，所得硬度测试结果如表1所示。

本实施例所得的（AlCrTiTaMo）98.5B1.5高熵合金材料的铸态合金的XRD如图1所示，铸态合金主要 BCC、B2型结构以及Cr₂Ta相组成。图2（a）为铸态合金的BSE图，如图所示，扫描电镜背反射电子模式可观察到富Cr、 Ta的枝晶、富Al、Cr、Ti的枝晶间区域以及枝晶间的Cr₂Ta相，偏聚在合金基体的晶界处的B；图3为1000℃下氧化12h的样品单位面积质量增益数据图，如图所示，（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金12h的氧化增益仅为0.45mg*cm^-2,该合金12h的氧化速率仅为0.0375 mg*cm^-2*h^-1，依据如表2所示GB/T13303-1991提供的抗氧化性能评级标准，该合金属于抗氧化级别。图3为AlCrTiTaMoB高熵合金氧化12h的XRD，由图可知，（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金材料在1000℃高温氧化过程中会形成Al₂O₃，Cr₂O₃，TiO₂，CrTaO₄这四类氧化物，这些氧化物组成了基体表面的致密氧化层。1000℃下12h氧化后形成的氧化层截面如图5（a）所示，合金基体表面所形成的氧化层连续致密，有效隔绝了氧气与基体的直接接触，同时，分布在晶界位置的B原子进一步阻碍了氧离子沿着晶界的短路扩散，使得合金元素不易与氧离子结合形成氧化物，这些协同机制有效抵抗了高温下的氧离子侵蚀；从而使得（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金材料有着优异的高温抗氧化性。通过表1可知，（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金具有平均值为625.68HV的高硬度，这是304不锈钢(硬度210.0HV)的三倍，可以完美适配航空发动机、火箭发动机、燃气轮机、汽油及柴油发动机的高温工作部件的应用需求。

。

实施例2

一种（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料，它的制备工艺及相关高温抗氧化与力学性能测试与实施例1基本一致，所不同的是配料：选用纯度>99.9%的3.335gAl、6.39gCr、22.25gTa、5.885gTi、11.795gMo、0.345gB的颗粒原材料。

本实施例2所得的（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料，铸态合金的XRD如图1所示，合金基体同样有由BCC型、B2型固溶体相以及析出相Cr₂Ta相组成，伴随着B含量的增加，Cr₂Ta相的特征衍射峰变得更为明显。图2（b）为通过SEM观察，（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料的组织成分具有与（AlCrTiTaMo）_98.5B_1.5高熵合金相一致的三种形式，所不同的是（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料枝晶间区域Cr₂Ta相的析出更多明显，数量更多；这些更多的析出相Cr₂Ta会使的合金基体的高温抗氧化相比实施例1更差一些，如图3所示，（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料12小时氧化增重为3.57mg*cm^-2，其氧化速率为0.2975 mg*cm^-2*h^-1，依据国家标准（GB/T13303-1991）属于次抗氧化级别。图4氧化12h后的样品XRD显示，（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金基体上的氧化层同样由Al₂O₃,Cr₂O₃,TiO₂,CrTaO₄这四类氧化物组成。图5（b）为（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金12h氧化形成的氧化层截面图，相比于实施例1，其所形成的氧化层更厚，同样连续致密，具有优秀的抗氧化作用。硬度测试结果如表3所示，由表3可知，（AlCrTiTaMo）₉₅B₅高熵合金材料具有平均值为738.36HV的硬度，实施例2所述高熵合金材料是替代商用高温合金。

。

对比例1

其他条件与实施例1相同，仅是不采用熔液包覆的合金块，直接将B颗粒置于水冷铜模具中进行熔炼，B颗粒炸裂飞出水冷铜模具，熔炼失败。

对比例2

其他条件与实施例1相同，仅是采用粒径为0.5mm的Ta金属颗粒，Ta金属颗粒被熔炼电弧吹飞，最终熔炼出来的合金中Ta的原子百分比仅占15.2%，其实际原子占比与设计成分相差较大。

对比例3

其他条件与实施例1相同，仅是采用粒径3.5mm的 Ta金属块，最终熔炼出的合金样品中观察到存在大量未完全融化的Ta块分散在合金中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，其特征在于：将第一份Al颗粒熔化获得Al熔体，将B颗粒加入Al熔体中，冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块，称量包裹B颗粒的Al金属块，获得其中Al的含量，按AlCrTiTaMoB高熵合金材料的设计成份，配取第二份Al颗粒，然后将包裹着B颗粒的Al金属块置于电弧熔炼炉的最底部，第二份Al颗粒、Ti颗粒、Cr颗粒、Mo颗粒、Ta颗粒自下而上的次序堆叠放置于包裹着B颗粒的Al金属块之上，然后进行反复熔炼即得AlCrTiTaMoB高熵合金材料；

所述Al颗粒、Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒、B颗粒的粒径为1~3mm；

所述第一份Al颗粒的配取量为B颗粒质量的25～28倍；

所述B颗粒先采用铝箔包裹；

所述反复熔炼的过程为，先以不超过5A/s的电流增速使电流增加至180A~190A，熔炼5~10min获得熔体后，再以不超过3A/s的电流增速使电流增加至210~220A，熔炼2~3min，单次熔炼完成后，将所得合金块翻面，再重复上述熔炼操作，将正面熔炼与翻面熔炼计为一次熔炼操作，反复熔炼8~12次；

2.根据权利要求1所述一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述Cr颗粒、Ti颗粒、Ta颗粒、Mo颗粒、B颗粒均按设计成份比例配取。

3.根据权利要求1所述一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，其特征在于：将第一份Al颗粒于670℃～760℃熔化获得Al熔体，保温10～20min后，取出Al熔体至室温下，将B颗粒加入Al熔体中，搅拌3次以上，之后待其冷却凝固获得包裹B颗粒的Al金属块。

4.根据权利要求1所述一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料，按原子比计，组成如下：Al 19%~19.7%、Cr 19%~19.7%、Ti 19%~19.7%、Ta 19%~19.7%、Mo 19%~19.7%、B 1.5%~5%。

5.权利要求1-4任意一项所述的制备方法所制备的一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料。

6.根据权利要求5所述的一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料，其特征在于：

所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料由BCC型和B2型固溶体相以及析出相Cr₂Ta相组成；

所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料的合金显微组织包含富Ta和Mo的枝晶，富Cr、Al、Ti的枝晶间区域，枝晶间区域内的析出相Cr₂Ta相以及偏析在晶界处的B原子。

7.权利要求1-4任意一项所述的制备方法所制备的一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料的应用，其特征在于：将所述AlCrTiTaMoB高熵合金材料作为高温工作部件材料应用于航空发动机、火箭发动机、燃气轮机、汽油或柴油发动机中。