[0001] 本发明属于轻质高强金属材料技术领域，具体涉及一种轻质高强高熵合金材料及其制备方法。

[0002] 轻量化材料是航空航天、交通运输及国防军工等高端装备发展的物质基础，随着装备性能要求不断推升，对轻量化材料的发展需求也更为紧迫。多年来，以Al、Mg、Ti等为基体的各类轻质合金发展迅速，有力支撑了我国各类装备型号的发展。然而该类合金沿用以一种或两种金属元素为主要组成元素(基体)，再添加少量其他金属或非金属元素进行合金化的传统合金设计思路，基体金属的性能缺陷无法避免，如Al合金和Mg合金室温强度低、Mg合金室温下不易加工、Ti合金价格昂贵等问题。高熵合金以多种元素为主元的设计理念突破了局限在相图一角的传统合金设计框架，将合金设计成分空间拓展到多元相图的广阔中心区域，合理的组元设计可带来更优的结构与功能特性，开辟了金属材料研究的新领域，极大拓展了合金性能潜力挖掘的空间。

[0003] 由Nb、Ti、V、W、Mo、Ta、Hf等难熔金属元素组成的难熔高熵合金(如MoNbTaW、MoNbTaVW、HfNbTaTiZr、NbTiVZr等)已被证明具有优异的强塑性匹配和高温力学性能，但其3
密度最低的NbTiVZr体系高熵合金密度约为7g/cm ，难以支撑未来高端装备的轻量化发展。
为进一步降低密度，Al作为应用最为广泛的轻合金元素被添加至NbTiVZr体系高熵合金中，然而有研究表明，过多地添加Al会导致高熵合金中形成大量金属间化合物，从而恶化其塑性。通过适量添加Al，并进一步优化难熔高熵合金中其他主元含量配比及微合金化元素，在
3
保障合金强度与塑性协同提升时，难熔高熵合金密度被进一步降低至6.2～6.5g/cm 。例如，专利文献CN 115627406 B公开了一种轻质难熔多主元合金、其制备方法及用途，合金通式为(TiZrNb)100‑x‑yAlxOy，其中0.3％≤x≤6.0％，0.2％≤y≤2.0％，x与y为对应元素的摩
3 3
尔百分比，实施例中合金密度分别为6.25g/cm、6.45g/cm。专利文献CN 117107136A公开了一种低密度难熔高熵合金及制备方法和应用，该低密度难熔高熵合金的原子百分比：Al：
10.0～11.0at.％，Mo：10.0～11.0at.％，Nb：20.5～21.5at.％；，Ti：25.5～27.0at.％；V：
3
10.0～11.0at.％；Zr：20.5～21.5at.％，其密度为6.35～6.55g/cm 。综合现有研究结果，以AlNbTiVZr为代表的轻质高强高熵合金材料仍具备在保持强塑性匹配的前提下，进一步降低密度、提高比强度的空间，通过合金成分匹配设计、后续热处理等工艺优化有望继续推动轻质高强高熵合金的发展。

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

[0033] 一种轻质高强高熵合金材料，所述轻质高强高熵合金材料按质量百分比计包括以下成分：Al 2.0～5.0wt.％、Nb 25.0～35.0wt.％、Ti 30.0～45.0wt.％、V 13.0～17.0wt.％、Zr 12.0～16.0wt.％，其余为不可避免的杂质。

[0034] 具体的，所述轻质高强高熵合金材料按质量百分比计包括以下成分：Al2.0～3.2wt.％(例如2.2wt.％、2.4wt.％、2.6wt.％、2.8wt.％、3.0wt.％等)、Nb 28.0～
35.0wt.％(例如29wt.％、30wt.％、31wt.％、32wt.％、33wt.％、34wt.％等)、Ti 30.0～
45.0wt.％(例如32wt.％、34wt.％、36wt.％、38wt.％、40wt.％、42wt.％、44wt.％等)、V 
13.0～17.0wt.％(例如13.5wt.％、14wt.％、14.5wt.％、15wt.％、15.5wt.％、16wt.％、
16.5wt.％等)、Zr 12.0～14.5wt.％(例如12.5wt.％、13wt.％、13.5wt.％、14wt.％、
14.2wt.％等)，其余为不可避免的杂质。

[0035] 具体的，所述轻质高强高熵合金材料按质量百分比计包括以下成分：Al4.6～5.0wt.％(例如4.7wt.％、4.75wt.％、4.8wt.％、4.85wt.％、4.9wt.％、4.95wt.％等)、Nb 
25.0～35.0wt.％(例如26wt.％、27wt.％、28wt.％、29wt.％、30wt.％、31wt.％、32wt.％、
33wt.％、34wt.％等)、Ti 30.0～45.0wt.％(例如32wt.％、34wt.％、36wt.％、38wt.％、
40wt.％、42wt.％、44wt.％等)、V 13.0～17.0wt.％(例如13.5wt.％、14wt.％、14.5wt.％、
15wt.％、15.5wt.％、16wt.％、16.5wt.％等)、Zr 15～16.0wt.％(例如15.2wt.％、
15.4wt.％、15.6wt.％、15.8wt.％、15.9wt.％等)，其余为不可避免的杂质。

[0036] 一种所述的轻质高强高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0037] (1)按比例配料，并将将金属原料置于无水乙醇溶液中超声震荡清洗，去除表面杂质；

[0038] (2)采用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼方式，首先将熔炼炉抽真空至＜5×10‑3Pa‑3 ‑3 ‑3 ‑3(例如0、1×10 Pa、2×10 Pa、3×10 Pa、4×10 Pa等)，接着充入高纯氩气至压强为‑
0.02MPa～‑0.05MPa(例如‑0.025MPa、‑0.03MPa、‑0.04MPa等)；然后，将金属原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属原料全部熔化后冷却至室温；将铸锭翻转后重复上述步骤进行熔炼，重复熔炼3～7次(例如4次、5次、6次)，得到合金锭；

[0039] (3)将所述合金锭进行热处理，热处理的方法为：

[0040] 将所述合金锭与纯钛一起，在温度为800‑1200℃(例如850、900、950、1000、1100、‑2 ‑3 ‑31150等)、真空度≤10 Pa(例如0Pa、10 Pa、5×10 Pa等)真空环境中进行单级、双级或多级热处理，所述热处理时间为24～60h(例如25h、30h、35h、40h、45h、50h、55h等)；或，[0041] 将所述合金锭在温度为800‑1200℃环境中进行单级、双级或多级热处理，同时通入流量≥1.5L/min(例如1.5L/min、2L/min、2.5L/min、3L/min、5L/min等)的氩气，所述热处理时间为24～60h(例如25h、30h、35h、40h、45h、50h、55h等)。

[0042] 实施例1

[0043] 本实施例提供一种具有Al、Nb、Ti、V、Zr元素轻质高强高熵合金，其化学式为3
Al0.5NbTi3VZr0.5，其实际密度为5.42g/cm。具体的制备方法如下：

[0044] 步骤一、原料选取与配料：选取原料纯度为99.9％的小块状Al粒、纯度为99.9％的短棒状Nb粒、纯度为99.9％的短棒状Ti粒、纯度为99.9％的小块状V粒、纯度为99.9％的小块状Zr粒,选取的高纯Al、Nb、Ti、V、Zr金属单质,用不同型号粗砂纸(240#和600#)对颗粒表面进行打磨，去除单质表面氧化皮。采用无水乙醇溶液超声震荡方式进行原料清洗后备用。以称取各元素原料总质量200g为基础，金属颗粒原料Al、Nb、Ti、V与Zr的称取质量分别为
7.786g(3.893％)、53.618g(26.809％)、82.875g(41.44％)、29.398g(14.699％)和26.323g(13.16％)，误差值±0.001g。

[0045] 步骤二、熔炼：将步骤一配置完成的原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，熔炼炉应先‑3抽真空至低于5×10 Pa，随后充入高纯氩气至压强为‑0.04MPa；将单质原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后冷却至室温，视为一次熔炼，将铸锭翻转后重复进行熔炼，重复次数为3～7次，得到铸锭。

[0046] 步骤三、热处理：将步骤二放入以氩气为惰性气体保护的热处理环境中，氩气流量不低于1.5L/min条件下，进行1000℃/24h单级热处理，得到热处理态铸锭。

[0047] 图1为实施例1热处理态Al‑Nb‑Ti‑V‑Zr系轻质高强高熵合金XRD衍射分析图，证明该合金在铸造态下表现为复杂的多相结构，主要有BCC相、Laves相、Zr5Al3析出相。图2为实施例1热处理态轻质高强高熵合金经热处理后测得的压缩工程应力‑应变曲线，实施例1的屈服强度约为1295MPa，压缩断裂强度达到2184MPa，压缩塑性约为40.2％。图3为施例1热处理态轻质高强高熵合金微观组织形貌图片。由图3可知，实施例1为多晶组织，存在晶界析出相与晶内析出相。

[0048] 实施例2

[0049] 本实施例提供一种具有Al、Nb、Ti、V、Zr元素轻质高强高熵合金，其化学式为Al0.5NbTi2VZr0.5，其成分为Al 4.0～5.0wt.％，Nb 28.0～35.0wt.％，Ti30.0～38.0wt.％，3
V 15.5～18.0wt.％，Zr 13.0～16.0wt.％，其实际密度为5.58g/cm；与实施例1相比，实施例2的实际密度上升。具体的制备方法与实施例1相同，以称取各元素原料总质量200g为基础，金属颗粒原料Al、Nb、Ti、V与Zr的称取质量分别为9.034g(4.517％)、62.210g(31.105％)、64.105g(32.053％)、34.108g(17.054％)和30.543g(15.271％)，误差值±
0.001g。

[0050] 图4为实施例2热处理态Al‑Nb‑Ti‑V‑Zr系轻质高强高熵合金XRD衍射分析图，证明该合金在铸造态下表现为多相结构，主要有BCC相与Laves相，Zr5Al3析出相衍射强度不高。图5为实施例2热处理态轻质高强高熵合金室温下测得的压缩工程应力‑应变曲线。实施例2的屈服强度约为982MPa，压缩断裂强度达到1215MPa，压缩塑性约为31.8％；与实施例1相比，随着Ti元素添加含量的下降，综合力学性能下降。图6为施例2热处理态轻质高强高熵合金微观组织形貌图片。由图3可知，实施例2中的晶界粗大，晶内未出现明显的析出相；与实施例1相比，实施例2微观形貌发生明显变化，说明Ti元素添加含量变化会改变合金的组织形貌。综上可知，本发明的Al‑Nb‑Ti‑V‑Zr系高熵合金具有优异的强塑性平衡，可推动轻质高强高熵合金发展，拓展其在工程结构领域地应用前景。

[0051] 实施例3

[0052] 本实施例提供一种具有Al、Nb、Ti、V、Zr元素轻质高强高熵合金，其化学式为Al0.5NbTi2.5VZr0.5，其成分为Al 4.0～4.5wt.％、Nb 28.0～30.0wt.％、Ti30.0～38.0wt.％、V 15.5～18.0wt.％、Zr 14.0～15wt.％。具体的制备方法与实施例1相同，以称取各元素原料总质量200g为基础，金属颗粒原料Al、Nb、Ti、V与Zr的称取质量分别为8.368g(4.184％)、57.574g(28.787％)、74.204g(37.102％)、31.572g(15.786％)和30.543g(14.141％)，误差值±0.001g。

[0053] 实施例4

[0054] 本实施例提供一种具有Al、Nb、Ti、V、Zr元素轻质高强高熵合金，其化学式为Al0.5NbTi3.5VZr0.5，其成分为Al 3.5～4.0wt.％、Nb 25.0～28.0wt.％、Ti42.0～46.0wt.％、V 13.5～15.5wt.％、Zr 12.0～14.5wt.％。具体的制备方法与实施例1相同，以称取各元素原料总质量200g为基础，金属颗粒原料Al、Nb、Ti、V与Zr的称取质量分别为
7.280g(3.640％)、50.136g(25.068％)、90.486g(45.243％)、27.488g(13.744％)和
24.610g(12.305％)，误差值±0.001g。

[0055] 实施例5

[0056] 一种轻质高强高熵合金材料，按质量百分比计包括以下成分：Al 2.0wt.％、Nb 25.0wt.％、Ti 46.0wt.％、V 13.0wt.％、Zr 14.0wt.％，其余为不可避免的杂质。本实施例所述材料通过以下方法制备：

[0057] (1)按比例配料，将金属原料置于无水乙醇溶液中超声震荡清洗，去除表面杂质；

[0058] (2)采用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼方式，首先将熔炼炉抽真空至≤4×10‑3Pa，接着充入高纯氩气至压强为‑0.03MPa～‑0.04MPa；然后，将金属原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属原料全部熔化后冷却至室温；将铸锭翻转后重复上述步骤进行熔炼，重复熔炼3次，得到合金锭；

[0059] (3)将所述合金锭在温度为800℃环境中进行单级、双级或多级热处理，同时通入流量≥1.5L/min的氩气，所述热处理时间为24h，得到所述轻质高强高熵合金材料。

[0060] 经实验验证，本实施例合金材料的密度为5.50g/cm3、屈服强度为985MPa、压缩断裂强度为1255MPa、压缩塑性为33.7％。

[0061] 实施例6

[0062] 一种轻质高强高熵合金材料，按质量百分比计包括以下成分：Al 4.8wt.％、Nb 30.0wt.％、Ti 35.2wt.％、V 18.0wt.％、Zr 12.0wt.％，其余为不可避免的杂质。本实施例所述材料通过以下方法制备：

[0063] (1)按比例配料，将金属原料置于无水乙醇溶液中超声震荡清洗，去除表面杂质；

[0064] (2)采用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼方式，首先将熔炼炉抽真空至3×10‑3Pa，接着充入高纯氩气至压强为‑0.035MPa～‑0.04MPa；然后，将金属原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属原料全部熔化后冷却至室温；将铸锭翻转后重复上述步骤进行熔炼，重复熔炼6次，得到合金锭；

[0065] (3)将所述合金锭在温度为1200℃环境中进行单级、双级或多级热处理，同时通入流量2L/min的氩气，所述热处理时间为45h，得到所述轻质高强高熵合金材料。

[0066] 经实验验证，本实施例合金材料的密度5.60g/cm3、屈服强度1015MPa、压缩断裂强度1230MPa、压缩塑性32.3％。

[0067] 实施例7

[0068] 一种轻质高强高熵合金材料，按质量百分比计包括以下成分：Al 3.0wt.％、Nb 28.0wt.％、Ti 40.0wt.％、V 15.0wt.％、Zr 14.0wt.％，其余为不可避免的杂质。本实施例所述材料通过以下方法制备：

[0069] (1)按比例配料，将金属原料置于无水乙醇溶液中超声震荡清洗，去除表面杂质；

[0070] (2)采用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼方式，首先将熔炼炉抽真空至(1‑2)×10‑3
Pa，接着充入高纯氩气至压强为‑0.02MPa～‑0.03MPa；然后，将金属原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属原料全部熔化后冷却至室温；将铸锭翻转后重复上述步骤进行熔炼，重复熔炼7次，得到合金锭；

[0071] (3)将所述合金锭在温度为1000℃环境中进行单级、双级或多级热处理，同时通入流量2.5L/min的氩气，所述热处理时间为60h，得到所述轻质高强高熵合金材料。

[0072] 经实验验证，本实施例合金材料的密度5.60g/cm3、屈服强度970MPa、压缩断裂强度1210MPa、压缩塑性28.6％。

[0073] 实施例8

[0074] 一种轻质高强高熵合金材料，按质量百分比计包括以下成分：Al 4.5wt.％、Nb 29wt.％、Ti 34wt.％、V 18.0wt.％、Zr 14.5wt.％，其余为不可避免的杂质。本实施例所述材料通过以下方法制备：

[0075] (1)按比例配料，将金属原料置于无水乙醇溶液中超声震荡清洗，去除表面杂质；

[0076] (2)采用真空电弧熔炼或真空悬浮熔炼方式，首先将熔炼炉抽真空至＜4×10‑3Pa，接着充入高纯氩气至压强为‑0.03MPa；然后，将金属原料放入真空熔炼炉中进行熔炼，待金属原料全部熔化后冷却至室温；将铸锭翻转后重复上述步骤进行熔炼，重复熔炼5次，得到合金锭；

[0077] (3)将所述合金锭在温度为900℃环境中进行单级、双级或多级热处理，同时通入流量2.5L/min的氩气，所述热处理时间为55h，得到所述轻质高强高熵合金材料。

[0078] 经实验验证，本实施例合金材料的密度5.6g/cm3、屈服强度965MPa、压缩断裂强度1130MPa、压缩塑性26.5％。

[0079] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。