本发明涉及新型高温结构材料的设计及其制备领域，提出了以难熔高熵合金monbzrti作为增强相强化ni基合金及其它的制备方法，该新型高温合金将在航空航天等领域具有很好的应用前景。
背景技术：
研究发现多主元合金所具有的高的混合熵效应、缓慢的扩散效应和严重的晶格畸变效应使得合金具有简单的组织结构如热稳定性高的固溶体相，甚至在常规制备方式下也可以获得纳米相或者非晶相，同时通过合理的成分选择合金可以获得优异的综合性能如高的强度和硬度、良好的耐磨性、优异的耐腐蚀性等。因此，多主元高熵合金的提出为研究设计高性能新型金属材料指明了一条新的方向，因此多主元高熵合金的研究具有很高的发展潜力和研究价值。
目前多主元高熵合金的主要制备方式为电弧熔炼或者感应熔炼的凝固方式，然而，多主元高熵合金因为主元数较多，采用熔炼的方式很难获得成分均匀的大尺寸合金锭，因此，这些问题大大限制了合金的工业化应用和发展。
随着航空航天工业的不断发展，对高温结构材料提出了越来越高的需求，设计开发能够在更高温度下使用或者在高温下具有更高使用强度的新型高温结构材料已经迫在眉睫。多主元高熵合金的提出尤其是以难熔金属元素为主元的难熔高熵合金的发展和应用为开发新型高温结构材料提供了广阔的发展思路。
技术实现要素：
本发明的目的是为开发能够在更高温度下使用或在高温下具有更高使用强度的新型高温结构材料，提出用难熔高熵合金(monbzrti)作为增强相，ni基合金作为基体的新型合金体系ni100-x(monbzrti)x。
本发明的高温合金系ni100-x(monbzrti)x，所述合金成分为摩尔比即ni元素与mo、nb、zr、ti四种元素总的摩尔比比值为：100-x:x，其中x的取值为5，10，15，20，30。增强相monbzrti中各元素的摩尔比mo：nb：zr：ti=1:1:1:1。
本发明中制备ni100-x(monbzrti)x高温合金系的方法，它包含以下步骤。
步骤1：称量。
将所设计的合金系中各元素摩尔比换算成重量比称，称取金属nb、金属mo、金属ti、金属zr和金属ni为原料，共称取5个质量均为30g的试样。
步骤2：熔炼。
(1)将步骤2中称取好的的原料按熔点由低到高依次放置在水冷铜坩埚中，将纯ti金属放在另一个水冷铜坩埚中。
(2)对电弧炉抽真空，当真空度大于5×10-3mpa后，充入高纯氩气使炉内气压为0.5个大气压。
(3)熔炼纯ti金属，以消除炉内残余的氧气。
(4)熔炼ni100-x(monbzrti)x合金，合金完全熔化为液态后，保持电弧熔炼2min，然后关闭电流，其中，熔炼时的电流为400~450a。
(5)将熔炼的合金纽扣锭翻转，重复步骤3(4)五次，即完成所述ni100-x(monbzrti)x高温合金的制备。
所述步骤1中，金属nb、金属mo、金属ti、金属zr和金属ni经过如下处理后再进行称取：将上述原料分别在丙酮中用超声波震荡清洗20~30min，以去除原料表面油污，然后倒入乙醇用超声波震荡清洗10~20min，清洗完成后置于70~90℃干燥箱中烘干3~5h。
所述步骤1中，金属nb、金属mo、金属ti、金属zr和金属ni的纯度均为99%。
所述步骤2中，熔炼时采用电极接触起弧，起弧电流约为20a。
所述步骤2（2）中，回充惰性气体使炉内气压为0.5个大气压前，利用回充惰性气体复洗炉腔3~5次。
所述步骤2（2）中，惰性气体为高纯氩气。
所述步骤2（5）中，每个试样都反复翻转熔炼5次。
本发明包含以下有益效果：本发明选用应用最广泛的高温合金ni基合金作为基体合金，结合多主元高熵合金的设计思路，选用高温性能优异的四元难熔高熵合金(monbzrti)作为增强相，这样的合金设计可以将传统合金与多主元高熵合金结合，充分发挥两者的优势，通过调控基体合金与增强相合金的含量，可以设计开发在高温方面都表现出良好的性能，因此这样的合金设计将可以开发高温性能优异的新型高温结构材料。
附图说明
图1为本发明制备的ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的x射线衍射图谱。
图2为本发明制备的ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的光学显微镜下的显微组织图。
图3为本发明制备的ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的扫描电子显微组织图。
图4为本发明制备的ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的显微硬度值。
具体实施方式
本下面结合具体实施例子对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
1.ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的制备
(1)原材料准备：本发明采用的原料为高纯ni、mo、nb、zr、ti金属，其纯度均大于99.9%，去除原料表面的氧化皮，使用工业乙醇超声波震荡清洗后干燥。
表1ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)合金的名义成分。
(2)合金的熔炼
采用真空非自耗电弧炉熔炼合金，将配比称量后的材料按原料熔点由低到高依次放在水冷铜坩埚中，并将一块纯钛锭放在另一个坩埚中，将炉腔抽真空后向炉腔内充入氩气至半个大气压；将钨极调在纯钛锭上方后电压调至60v左右后引弧，首先熔炼纯钛锭1min以消除炉腔内残余的氧气，随后将钨极调至高熵合金原材料上开始熔炼，缓慢调大电流至400-450a，待所有原料熔化后保持电弧熔炼时间2min，直接关闭电弧；待合金冷却后将其翻转，如此反复以上操作5遍以获得成分均匀的合金。
2.合金的组织结构与性能。
(1)x射线衍射测试及相组成分析：
利用线切割在熔炼制备的合金上切除2mm厚左右的薄片，并用砂纸将薄片表面仔细打磨。随后将薄片放在工业乙醇中用超声波震荡清洗。使用x射线衍射仪对制备的样品进行相组成测试，实验中扫描速度为5°/min，扫描角度2θ范围为20°到100°。
如图1为合金ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)的x射线衍射图，结果显示，合金ni100-x(monbzrti)x由面心立方fcc相和体心立方bcc相两种相组成，且随着(monbzrti)含量的增加，bcc相的衍射峰逐渐增强，表明合金中bcc相的含量也随之增加。
(2)显微组织分析：
利用线切割在熔炼的合金上切取10×10mm的试样，先用砂纸将表面仔细研磨并进行机械抛光，并选取合适的腐蚀液腐蚀。如图2所示为合金ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)在光学显微镜下的显微组织图。由图可知，当x=5，10，15时，合金呈现典型的树枝晶组织，当x=15时，树枝晶的组织是最为细小的。随着(monbzrti)含量的增加，合金的组织形貌发生明显变化，当x=20时，合金呈现粗大的晶粒，在某些区域还出现针状组织。当x=30时，合金组织由转变成了稍有变形的等轴晶粒组织。为进一步观察合金在高倍下的组织形态，又对所有合金进行了扫描电镜组织观察。如图3所示为合金ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)在扫描电镜下的显微组织图。由图可知，当x=5，10，15时，合金中枝晶间区域组织由细小的片层状两相组成，且随着(monbzrti)含量的增加，枝晶间区域两相组织的百分含量增加，枝晶间区域两相的尺寸也增加。当x=20时，片层状的两相组织转变为了棒状，当x=30时，两相组织在某些区域呈现细小的颗粒状，在某些区域呈现细小的片层状。结合相组成分析结果可知，枝晶间区域的某一相与枝晶区域具有相同的相组成。
(3)显微硬度分析：
利用显微维氏硬度计对合金试样进行了显微硬度分析，采用加载载荷为500g，保压时间为15s。每个试样分别测试10个点，去除最大值和最小值，取剩余8个值的平均值即为试样的显微硬度值。如图所示为合金ni100-x(monbzrti)x(x=5，10，15，20，30)的硬度值图。由图可知，x=5，合金的硬度值为，随着(monbzrti)含量的增加，合金硬度值显著增加，当x=30时，合金硬度值可以达到hv。
从以上分析可知，通过选择应用最广泛的ni基合金作为基体合金，以难熔高熵合金(monbzrti)作为增强相设计开发新型高温结构材料的可行的，合金可以获得简单的组织结构，由fcc bcc两种相组成，且可以通过调整(monbzrti)的添加量调整合金整体性能。
1.(monbzrti)高熵合金增强ni基合金ni100-x(monbzrti)x，其特征在于所述合金成分为摩尔比，即ni元素与mo、nb、zr、ti四种元素总的摩尔比比值为：100-x：x，x的取值为5，10，15，20，30，其中增强相monbzrti中各元素的摩尔比mo：nb：zr：ti=1:1:1:1。
2.权利要求1所述的合金ni100-x(monbzrti)x的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
(1)步骤1：备料
将所设计的合金系中各元素摩尔比换算成重量比称，称取金属nb、金属mo、金属ti、金属zr和金属ni为原料，共称取5个质量均为30g的试样；
(2)步骤2：熔炼
①将步骤1中称取好的的原料按熔点由低到高依次放置在水冷铜坩埚中，将纯ti金属放在另一个水冷铜坩埚中；
②对电弧炉抽真空，当真空度大于5×10-3mpa后，充入高纯氩气使炉内气压为0.5个大气压；
③熔炼纯ti金属，以消除炉内残余的氧气；
④熔炼ni100-x(monbzrti)x合金，合金完全熔化为液态后，保持电弧熔炼2min，然后关闭电流，其中，熔炼时的电流为400~450a；
⑤将熔炼的合金纽扣锭翻转，重复步骤3(4)五次，即完成所述ni100-x(monbzrti)x高温合金的制备。
技术总结