CN117926103A - 一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高熵合金材料技术领域，涉及一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料及其制备方法，该合金化学成分按原子百分比包括：Al:4.0‑4.5at.％、Cu:5.0‑6.0at.％、Zn:5.0‑7.0at.％、Gd:3.5‑5.0at.％，其余为Mg和不可避免的杂质。该合金采用惰性气体保护气氛下的感应熔炼法，以金属颗粒为原料，部分元素采用中间合金颗粒，制备了大尺寸的轻质高熵合金铸锭。本发明获得的高熵合金，具有密度小、强度高和制备简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于高熵合金材料技术领域，具体涉及到一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料及其制备方法。
背景技术
在传统的合金设计中，一个主要元素通常占主导地位，限制了成分的范围，限制了新特性的潜力。为了满足对创新材料日益增长的需求，探索非常规合金，如高熵合金(HEAs)是必不可少的。高熵合金(HEAs)是一类新的多主元系合金，因其所展现出的高强度、高硬度、抗高温氧化性和耐腐蚀性等优异性能而受到广泛的关注。现有的高熵合金研究主要是集中于以Fe、Co、Ni、Mn、Cr等过渡金属元素组成的合金，但是过渡金属密度大，并不能满足航空航天等领域对材料轻量化的需求。随着社会快速发展，能源和环境问题也越发严峻，轻质结构材料得到越来越多的关注。轻质高熵合金的特点是密度低且比强度高，通常选取Mg、Al等密度较小且熔点较低的元素作为合金主元素。然而合金组成中的元素过多会导致复杂的组织使合金的力学性能恶化。
在开发块体轻质高熵合金时通常采用电弧熔炼、感应熔炼和机械合金化法等传统方法。电弧熔炼法利用电极与待熔物之间或者电极与电极之间产生的电弧使金属熔化，可以通过电源的功率调节熔炼温度，适用于熔炼温度较高的合金。感应熔炼法是利用电磁感应过程中产生的涡电流使得金属熔化，适用于熔点较低、易挥发的合金元素。机械合金化法是通过将金属粉末或合金粉末置于球磨机中进行长时间球磨，使得原料粉末发生原子扩散后，将合金化粉末直接压制成型或者通过烧结进行固化，从而得到高熵合金块体，这种方法适用于制备各组元元素熔点差距较大的高熵合金。另外由于粉末极易发生爆炸，具有较大的不稳定性，加上模具的影响，采用机械合金化法所制备得到的合金通常尺寸较小且形状简单。
因此开发出密度小、强度高、制备方法简单的轻量化高熵合金是目前高熵合金领域亟需解决的难题。
发明内容
为了解决现有高熵合金比重大的问题，本发明旨在提供一种密度小、抗压强度高、塑性好的MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料及其制备方法。
为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，所述合金材料成分按原子百分比包括：Al:4.0-4.5at.％、Cu:5.0-6.0at.％、Zn:5.0-7.0at.％、Gd:3.5-5.0at.％，其余为Mg和不可避免的杂质。
进一步的，所述合金材料的密度在2.70g/cm3-3.00g/cm3之间。
第二方面，一种前述MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照各个原料组分称量Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒；
步骤2：以惰性气体作为保护气体，将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn颗粒、Mg颗粒、Al颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒进行感应熔炼，形成合金熔浆；采用搅拌使所述合金熔浆中的原料均匀，形成熔融混合物；
步骤3：在惰性气体保护气氛下，将所述熔融混合物静置后倒入预热模具中，凝固脱模后得到MgAlCuZnGd轻质高熵合金铸锭，即MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料。
进一步的，步骤1中，所述Mg颗粒的粒径为1mm～2mm，Al颗粒的粒径为1mm～2mm，Zn的粒径为1mm～2mm，Mg-30Gd中间合金颗粒的粒径为1mm～2mm，Cu-40Zn中间合金颗粒的粒径为1mm～2mm。
进一步的，步骤1中，所述Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
进一步的，步骤2中，所述感应熔炼的温度为820℃～870℃。
进一步的，步骤2和/或步骤3中，所述惰性气体为比空气密度大的惰性气体，用于排出空气；优选地，所述惰性气体为高纯氩气，更优选地，所述高纯氩气的纯度≥99.999％。
进一步的，步骤3中，所述静置的时间为5～10min。
进一步的，步骤3中，所述预热模具的温度为200℃～300℃；和/或，所述预热模具为预热的石墨模具。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，选取Mg这一密度较小且熔点较低的元素作为合金主元素，同时添加Al、Cu、Zn和Gd元素构成轻质高熵合金材料。其中，Al、Zn和Gd在Mg中主要起固溶强化作用，且当Gd原子比百分数超过3.5％后强化效果随含量增加而增加，当Gd原子比百分数提升至5％时，可以明显提升合金的硬度和强度，但是Gd原子比百分数超过5％，则会引起塑性恶化，导致材料变脆。Cu元素虽然几乎不溶于Mg，但考虑到Cu的原子半径与其它元素相差较小，添加适量的Cu可以在保证原子尺寸错配度较小的情况下增大合金的混合熵，并且可以改善合金的塑性。本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金具有密度小(2.70～3.00g/cm3)、抗压强度高(400MPa以上)的优点，其中Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0合金在保持中等塑性(14.0％)的情况下，抗压强度高达474MPa。
2.本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的制备方法，采用惰性气体保护气氛下的感应熔炼法，避免电弧熔炼法可能会使合金中存在Mg等低熔点活性金属元素大量烧损。并且在制备时，一是将所述成分Gd和Cu分别以Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金作为原料添加，以降低熔炼温度；二是选取颗粒状原料，有助于加快合金原料熔化速度、缩短熔炼时间，以降低低熔点元素的烧损；三是将原料按照熔点由低到高的顺序依次加入，将易挥发的金属原料置底，熔点和沸点均较高的原料放于上方，可以减少原料的烧损。
附图说明
图1为本发明实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5的XRD图谱；
图2为本发明实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5的光学显微组织图；
图3为本发明实施例2中Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。
本发明中，除非另有规定和/或说明，自始至终，所有涉及组分用量的数值均为“原子百分比”。下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。以下实施例中所述的原料均可从公开商业途径获得。
根据本发明第一方面，一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，所述合金材料成分按原子百分比记包括：Al:4.0-4.5at.％、Cu:5.0-6.0at.％、Zn:5.0-7.0at.％、Gd:3.5-5.0at.％，其余为Mg和不可避免的杂质。
本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，选取Mg这一密度较小且熔点较低的元素作为合金主元素，同时添加Al、Cu、Zn和Gd元素构成一种新型的轻质高熵合金材料，密度低且比强度高，满足航空航天等领域对材料轻量化的需求。其中，Al、Zn和Gd在Mg中主要起固溶强化作用，且当Gd原子比百分数超过3.5％后强化效果随含量增加而增加，当Gd原子比百分数提升至5％时，可以明显提升合金的硬度和强度，但是Gd原子比百分数超过5％，则会引起塑性恶化，导致材料变脆。Al典型但非限制性的原子百分比含量为4.0at.％、4.1at.％、4.2at.％、4.3at.％、4.4at.％、4.5at.％。Zn典型但非限制性的原子百分比含量为5.0at.％、5.1at.％、5.2at.％、5.3at.％、5.4at.％、5.5at.％、5.6at.％、5.7at.％、5.8at.％、5.9at.％、6.0at.％、6.1at.％、6.2at.％、6.3at.％、6.4at.％、6.5at.％、6.6at.％、6.7at.％、6.8at.％、6.9at.％、7.0at.％。Gd典型但非限制性的原子百分比含量为3.5at.％、3.6at.％、3.7at.％、3.8at.％、3.9at.％、4.0at.％、4.1at.％、4.2at.％、4.3at.％、4.4at.％、4.5at.％、4.6at.％、4.7at.％、4.8at.％、4.9at.％、5.0at.％。Cu元素虽然几乎不溶于Mg，但考虑到Cu的原子半径与其它元素相差较小，添加适量的Cu可以在保证原子尺寸错配度较小的情况下增大合金的混合熵，并且可以改善合金的塑性。Cu典型但非限制性的原子百分比含量为5.0at.％、5.1at.％、5.2at.％、5.3at.％、5.4at.％、5.5at.％、5.6at.％、5.7at.％、5.8at.％、5.9at.％、6.0at.％。
作为本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的一种可选实施方式，所述合金材料的密度在2.70g/cm3-3.00g/cm3之间，典型但非限制性的密度为2.70g/cm3、2.72g/cm3、2.74g/cm3、2.76g/cm3、2.78g/cm3、2.80g/cm3、2.82g/cm3、2.84g/cm3、2.86g/cm3、2.88g/cm3、2.90g/cm3、2.92g/cm3、2.94g/cm3、2.96g/cm3、2.98g/cm3、3.00g/cm3。
根据本发明第二方面，一种前述MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照各个原料组分称量Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒；
步骤2：以惰性气体作为保护气体，将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn颗粒、Mg颗粒、Al颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒进行感应熔炼，形成合金熔浆；采用搅拌如电磁搅拌使所述合金熔浆中的原料均匀，形成熔融混合物；
步骤3：在惰性气体保护气氛下，将所述熔融混合物静置后倒入预热的石墨模具中，凝固脱模后得到MgAlCuZnGd轻质高熵合金铸锭，即MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料。
本发明MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的制备方法，为采用惰性气体保护气氛下的感应熔炼法，避免电弧熔炼法可能会使合金中存在Mg等低熔点活性金属元素大量烧损。并且在制备时，一是将所述成分Gd和Cu分别以Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金作为原料添加，以降低熔炼温度；二是选取颗粒状原料，有助于加快合金原料熔化速度、缩短熔炼时间，以降低低熔点元素的烧损；三是将原料按照熔点由低到高的顺序依次加入，将易挥发的金属原料置底，熔点和沸点均较高的原料放于上方，可以减少原料的烧损。
本发明所制备的MgAlCuZnGd轻质高熵合金具有密度小(2.70～3.00g/cm3)、抗压强度高(400MPa以上)的优点，其中Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0合金在保持中等塑性(14.0％)的情况下，抗压强度达474MPa。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤1中，所述Mg颗粒的粒径为1mm～2mm，Al颗粒的粒径为1mm～2mm，Zn的粒径为1mm～2mm，Mg-30Gd中间合金颗粒的粒径为1mm～2mm，Cu-40Zn中间合金颗粒的粒径为1mm～2mm。
上述技术方案中，所选取的合金颗粒粒径均在1～2mm，可以保证称量原料的精度。合金颗粒粒径可典型但非限制性选为1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤1中，所述Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤2中，所述感应熔炼的温度为820℃～870℃(如820℃、825℃、830℃、835℃、840℃、845℃、850℃、855℃、860℃、865℃、870℃等)。
上述技术方案中，控制感应温度为820℃～870℃，既避免温度太高，如Mg、Zn易氧化、易挥发的元素烧损率会增加。也避免温度太低，熔点较高的Cu-40Zn合金(熔点900℃左右)可能难以熔化。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤2和/或步骤3中，所述惰性气体为比空气密度大的惰性气体，用于排出空气；优选地，所述惰性气体为高纯氩气，更优选地，所述高纯氩气的纯度≥99.999％。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤3中，所述静置的时间为5～10min(如5min、6min、7min、8min、9min、10min等)。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤3中，所述预热模具的温度为200℃～300℃(如200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃等)。
上述技术方案中，模具预热可以提升铸件的表面质量，经过大量实验发现，预热温度在这个范围比较合适，使得铸件成型效果较好。而未加热的模具会使金属液冷却过快，降低流动性，使铸件容易出现成型不完全、夹杂、偏析严重等问题。
作为本发明制备方法的一种可选实施方式，步骤3中，所述预热模具为预热的石墨模具。
实施例1
本实施例轻质高熵合金为Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5。
本实施例轻质高熵合金所采用的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5的化学成分进行配料计算，称量纯度均≥99.9wt.％的Mg、Al、Zn、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒。对于易氧化、易挥发的Mg和Zn元素在配料计算时要考虑烧损率，按照摩尔比配置原料时，本实施例中Mg和Zn元素皆多加入5％。
步骤2：将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn、Mg、Al、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒放入熔炼坩埚中，将易挥发的金属原料置底，熔点和沸点均较高的原料放于上方，可以减少原料的烧损。同时通入高纯氩气(纯度≥99.999％)作为保护气体。对坩埚内的原料进行感应熔炼至850℃，保温至各组分原料完全熔化，采用电磁搅拌使原料均匀，形成熔融混合物。
步骤3：在高纯氩气保护气氛下，将所述熔融混合物静置10min后倒入预热温度为200℃的石墨模具中，凝固脱模后得到Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5轻质高熵合金铸锭。
图1为该合金铸态下XRD图谱，显示该合金的组织主要包括α-Mg、Al2Gd相、MgCuZn相和Mg2Cu相。图2为本实施例中铸态轻质高熵合金在光学显微镜下的微观结构。铸态下晶粒分布均匀，其中白色相为Al2Gd相，对合金的力学性能起强化作用。该合金的密度仅为2.78g/cm3，远低于以Ni、Fe、Co、Cr、Mn等元素作为组成成分的传统高熵合金。采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到404MPa，断裂应变为13.9％。
实施例2
本实施例轻质高熵合金为Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0。
本实施例轻质高熵合金所采用的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0的化学成分进行配料计算，称量纯度均≥99.9wt.％的Mg、Al、Zn、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒。对于易氧化、易挥发的Mg和Zn元素在配料计算时要考虑烧损率，按照摩尔比配置原料时，本实施例中Mg和Zn元素皆多加入5％。
步骤2：将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn、Mg、Al、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒放入熔炼坩埚中，将易挥发的金属原料置底，熔点和沸点均较高的原料放于上方，可以减少原料的烧损。同时通入高纯氩气(纯度≥99.999％)作为保护气体。对坩埚内的原料进行感应熔炼至850℃，保温至各组分原料完全熔化，采用电磁搅拌使原料均匀，形成熔融混合物。
步骤3：在高纯氩气保护气氛下，将所述熔融混合物静置10min后倒入预热温度为200℃的石墨模具中，凝固脱模后得到Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0轻质高熵合金铸锭。
该合金的密度为2.96g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到474MPa，断裂应变为14.0％。图3为该合金的室温压缩应力应变曲线。
实施例3
本实施例轻质高熵合金为Mg79.1Al4.5Cu5.9Zn6.9Gd3.6。
本实施例轻质高熵合金所采用的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照Mg79.1Al4.5Cu5.9Zn6.9Gd3.6的化学成分进行配料计算，称量纯度均≥99.9wt.％的Mg、Al、Zn、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒。对于易氧化、易挥发的Mg和Zn元素在配料计算时要考虑烧损率，按照摩尔比配置原料时，本实施例中Mg和Zn元素皆多加入5％。
步骤2：将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn、Mg、Al、Mg-30Gd中间合金和Cu-40Zn中间合金颗粒放入熔炼坩埚中，将易挥发的金属原料置底，熔点和沸点均较高的原料放于上方，可以减少原料的烧损。同时通入高纯氩气(纯度≥99.999％)作为保护气体。对坩埚内的原料进行感应熔炼至850℃，保温至各组分原料完全熔化，采用电磁搅拌使原料均匀，形成熔融混合物。
步骤3：在高纯氩气保护气氛下，将所述熔融混合物静置10min后倒入预热温度为200℃的石墨模具中，凝固脱模后得到Mg79.1Al4.5Cu5.9Zn6.9Gd3.6轻质高熵合金铸锭。
该合金的密度为2.79g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到441MPa，断裂应变为14.8％。
对比例1
本对比例轻质高熵合金为Mg81.2Al4.1Cu7.0Zn4.7Gd3.0。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例1相同。该合金的密度为2.78g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到340MPa，断裂应变为8.1％。该对比例Mg81.2Al4.1Cu7.0Zn4.7Gd3.0合金成分与实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5合金相比，Cu元素原子百分比有明显增加且达到7.0％，Cu元素几乎不溶于Mg，因此过高的Cu原子倾向于形成大量的Mg2Cu和MgCuZn化合物，两者在晶界附近呈交替生长形成粗大的网络状组织，导致塑性的恶化。
对比例2
本对比例轻质高熵合金为Mg79.3Al4.5Cu5.3Zn5.7Gd5.2。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例2相同。该合金的密度为3.12g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到402MPa，断裂应变为6.5％。该对比例Mg79.3Al4.5Cu5.3Zn5.7Gd5.2合金成分与实施例2中Mg79.4Al4.5Cu5.3Zn5.8Gd5.0合金相比，Gd元素原子百分比含量有所增加且达到5.2％，但是Gd元素的进一步增加并未显著提升合金的强度，导致团簇易形成，引起塑性的恶化，导致材料变脆。
对比例3
本对比例轻质高熵合金为Mg78.2Al4.5Cu5.8Zn8.0Gd3.5。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例3相同。该合金的密度为2.95g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到398MPa，断裂应变为9.2％。该对比例Mg78.2Al4.5Cu5.8Zn8.0Gd3.5合金成分与实施例3中Mg79.1Al4.5Cu5.9Zn6.9Gd3.6合金相比，Zn元素原子百分比有明显的增加且达到8.0％，一方面存在少量的Zn溶于Mg引起晶格畸变，一方面Zn元素和Mg、Cu元素围绕晶界形成大量的MgCuZn化合物，较高的Zn含量减弱了Mg2Cu相的形成，且过高的Zn元素还会和Mg、Gd元素形成(Mg,Zn)3Gd相，与MgCuZn相连接，导致塑性下降。
对比例4
本对比例轻质高熵合金为Mg79.2Al7.0Cu5.0Zn5.3Gd3.5。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例1相同。该合金的密度为2.80g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到385MPa，断裂应变为9.8％。该对比例Mg79.2Al7.0Cu5.0Zn5.3Gd3.5合金成分与实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5合金相比，Al元素的原子百分比含量有明显增加且达到7.0％。Al元素虽然在Mg中的固溶度较大，但是Al-Gd之间的理想混合焓为-39kJ/mol，Al2Gd化合物具有很强的相结构稳定性，当Al含量过高时，Al2Gd相比例会随之增加，且呈针状散落分布在Mg基体和MgCuZn相内部，增强合金的强度和硬度。但是由于过多的硬脆相Al2Gd的存在，合金的塑性有明显下降。
对比例5
本对比例轻质高熵合金为Mg84.0Al4.0Cu4.5Zn4.7Gd2.8。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例1相同。该合金的密度为2.85g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到368MPa，断裂应变为11.2％。对比例5中Mg84.0Al4.0Cu4.5Zn4.7Gd2.8合金成分与实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5合金的相比，Cu、Zn、Gd元素原子百分比均有降低，虽然Al原子百分比有一定增加，但第二相Al2Gd和MgCuZn含量较低，对合金的强化作用并不理想。
对比例6
本对比例轻质高熵合金为Mg82.2Al4.0Cu5.1Zn5.4Gd3.3。本对比例提供的制备方法和步骤均与实施例1相同。该合金的密度为2.83g/cm3，采用电子万能试验机(WDW-100E)测试该合金铸态下的室温压缩性能，室温下抗压强度可达到351MPa，断裂应变为9.43％。对比例6中Mg82.2Al4.0Cu5.1Zn5.4Gd3.3合金成分与实施例1中Mg82.1Al4.2Cu5.1Zn5.1Gd3.5合金的相比，Gd元素原子百分比低于3.5at.％，由于在凝固过程中大部分Gd元素优先和Al元素结合形成Al2Gd相，只有较少的Gd原子起固溶强化作用，Mg82.2Al4.0Cu5.1Zn5.4Gd3.3合金的抗压强度明显不如实施例1。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，而非对实施方式的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，其特征在于，所述合金材料成分按原子百分比记包括：Al:4.0-4.5at.％、Cu:5.0-6.0at.％、Zn:5.0-7.0at.％、Gd:3.5-5.0at.％，其余为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料，其特征在于，所述合金材料的密度在2.70g/cm3-3.00g/cm3之间。
3.一种根据权利要求1-2中任一所述的MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照各个原料组分称量Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒；
步骤2：以惰性气体作为保护气体，将配置好的原料按照熔点由低到高的顺序依次加入Zn颗粒、Mg颗粒、Al颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒进行感应熔炼，形成合金熔浆；采用搅拌使所述合金熔浆中的原料均匀，形成熔融混合物；
步骤3：在惰性气体保护气氛下，将所述熔融混合物静置后倒入预热模具中，凝固脱模后得到MgAlCuZnGd轻质高熵合金铸锭，即MgAlCuZnGd轻质高熵合金材料。
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Mg颗粒的粒径为1mm-2mm，Al颗粒的粒径为1mm-2mm，Zn的粒径为1mm-2mm，Mg-30Gd中间合金颗粒的粒径为1mm-2mm，Cu-40Zn中间合金颗粒的粒径为1mm-2mm。
5.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Mg颗粒、Al颗粒、Zn颗粒、Mg-30Gd中间合金颗粒和Cu-40Zn中间合金颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述感应熔炼的温度为820℃～870℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述感应熔炼的时间为15～20min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2和/或步骤3中，所述惰性气体为比空气密度大的惰性气体，用于排出空气；优选地，所述惰性气体为高纯氩气，更优选地，所述高纯氩气的纯度≥99.999％。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述静置的时间为5～10min。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述预热模具的温度为200℃～300℃；
和/或，所述预热模具为预热的石墨模具。
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