CN104451338A - CoCrFeNiAlCuSi高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域。所述高熵合金为固溶体相组成，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.56～1.0:0.1～0.44:0.2。将洁净的Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si在真空度≤2.5×10^-3Pa，氩气保护下进行合金化熔炼，熔炼时搅拌，每次熔炼≥10min，得合金液，冷却得合金锭，翻转合金锭重复熔炼≥4次得所述高熵合金。所述高熵合金综合力学性能优异，具有较高强度和较大塑性，应用前景广阔；制备方法简单可靠。

Description

CoCrFeNiAlCuSi高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金及其制备方法，具体地说，涉及一种高性能CoCrFeNiAlCuSi高熵合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域。

背景技术

高熵合金由至少5种以上的主要元素构成，且每种主要元素原子百分比介于5％～35％，而每种次要元素则小于5％。相比传统合金，高熵合金由于具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应以及鸡尾酒效应等，因而具有更高的强度、硬度、耐磨、耐腐蚀和热稳定性能。高熵合金的设计理念突破了传统观念的限制，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中一个新的研究热点。

目前对于高熵合金的研究，主要包括相形成机理，合金元素对微观组织形貌、结构、性能等方面的影响，制备方法和应用等。其中，针对高熵合金力学性能的研究更加广泛而深入，研究者尝试通过改变合金元素种类、含量，制备工艺以及热处理等手段进一步优化高熵合金的力学性能。然而，已报道的大多数高强度高熵合金的塑性很差，而塑性较好的高熵合金强度较低，难以达到很好的强韧性匹配。例如，AlCoCrFeNb_0.5Ni高熵合金的屈服强度高达2800MPa，但其断裂应变不足10％；而FeCoCrNiMn高熵合金的拉伸塑性高达60％，而强度仅200MPa～500MPa。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金；本发明的目的之二在于提供一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，所述高熵合金为固溶体相组成，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.56～1.0:0.1～0.44:0.2。

优选所述高熵合金中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.9:0.1:0.2。

一种本发明所述的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法，所述制备方法步骤如下：

将洁净的单质金属Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si在真空度2.5×10^-3Pa以下，以氩气作为保护气体，进行合金化熔炼，熔炼过程中搅拌使合金均匀化，每次熔炼时间≥10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次以上，得到本发明所述的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金。

优选所述合金化熔炼为电弧熔炼，可采用高真空非自耗电弧熔炼炉完成。

根据所需产品的形状尺寸，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，冷却得到。

有益效果

1.本发明提供了一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，所述高熵合金由简单结构的固溶体相组成，未出现金属间化合物等复杂相，合金组织均匀，表现出优异的综合力学性能，具有较高的强度和较大的塑性，其屈服强度为922MPa～1588MPa，抗压强度为2295MPa～3355MPa，断裂应变10.2％～24.1％；当所述高熵合金中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.9:0.1:0.2时，所述高熵合金的屈服强度为1559MPa，抗压强度为3355MPa，断裂应变为22.6％，应用前景广阔；

2.本发明提供了一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法，采用高真空合金熔炼进行制备，制备方法简单可靠，获得的高熵合金组织均匀稳定。

附图说明

图1为实施例制备得到的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的X射线衍射(XRD)谱图。

图2为实施例制备得到的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的光学显微镜照片。

图3为实施例制备得到的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图4为实施例制备得到的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

以下通过实施例详述本发明。

对以下实施例中：

所使用的高真空非自耗电弧熔炼炉为中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司DHL-400型高真空非自耗电弧熔炼炉；

制备得到的高熵合金进行力学性能测试和微观组织表征如下：

(1)物相分析：采用德国Bruker AXS公司D8advance X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40KV和40mA，X射线源为CuK_α(λ＝0.1542nm)射线，扫描速度为0.2sec/step，扫描步长为0.02°/step；

(2)金相微观组织表征：采用德国Axio observer A1m型研究级金相显微镜进行金相微观组织表征；

(3)微观形貌表征：采用HITACHI S4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观形貌表征，采用二次电子成像，工作电压为15kV；

(4)准静态压缩试验：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态压缩试验，测试试样依据金属材料室温压缩试验方法(GB-T 7314-2005)的国家标准中有关规定制成直径为4mm，高8mm的圆柱形试样，在应变率为10^-3s^-1下进行测试。

实施例1

一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.56:0.44:0.2。

一种本实施例所述CoCrFeNiAl_0.56Cu_0.44Si_0.2高熵合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：采用纯度99.7wt％以上的单质Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si作为原料，利用砂纸和砂轮机除去原料表面的氧化皮，再使用无水乙醇对原料进行超声波清洗，得到洁净的原料，并按照摩尔比精确称量出总质量为60g的洁净原料。

(2)合金熔炼：使用高真空非自耗电弧熔炼炉对洁净的原料进行合金化熔炼：将炉内腔体抽真空，真空度达到2.5×10^-3Pa后，充入纯度为99.999％的高纯氩气作为保护气体，熔炼合金之前，熔炼纯Ti金属锭进一步降低腔内氧含量，然后在1500℃～2000℃进行熔炼；熔炼过程中利用电磁搅拌使合金均匀化，每次熔炼10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次，将最后一次熔炼后得到得到合金液浇铸在模具内，冷却后取出，获得的合金即为CoCrFeNiAl_0.56Cu_0.44Si_0.2高熵合金。

对本实施例制备得到的高熵合金进行力学性能测试和微观组织表征结果如下：

由图1、图2(a)、图3(a)和图4(a)可知，本实施例制得的高熵合金的晶体结构为简单面心立方(FCC)和体心立方(BCC)两相固溶体结构，未出现金属间化合物等复杂相；所述高熵合金微观组织由FCC相的树枝晶和BCC相的枝晶间调幅分解组织构成，分别如图3(a)中A、B区域所示；所述高熵合金屈服强度达到922MPa，抗压强度达到2490MPa，断裂应变达到24.1％，高熵合金的综合力学性能优异。

实施例2

一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.8:0.2:0.2。

一种本实施例所述CoCrFeNiAl_0.8Cu_0.2Si_0.2高熵合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：采用纯度99.7wt％以上的单质Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si作为原料，利用砂纸和砂轮机除去原料表面的氧化皮，再使用无水乙醇对原料进行超声波清洗，得到洁净的原料，并按照摩尔比精确称量出总质量为60g的洁净原料；

(2)合金熔炼：使用高真空非自耗电弧熔炼炉对洁净的原料进行合金化熔炼：将炉内腔体抽真空，真空度达到2.5×10^-3Pa后，充入纯度为99.999％的高纯氩气作为保护气体，熔炼合金之前，熔炼纯Ti金属锭进一步降低腔内氧含量，然后在1500℃～2000℃进行熔炼；熔炼过程中利用电磁搅拌使合金均匀化，每次熔炼10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次，将最后一次熔炼后得到得到合金液浇铸在模具内，冷却后取出，获得的合金即为CoCrFeNiAl_0.8Cu_0.2Si_0.2高熵合金。

对本实施例制备得到的高熵合金进行力学性能测试和微观组织表征结果如下：

由图1、图2(b)、图3(b)和图4(b)可知，本实施例制得的高熵合金的晶体结构为简单体心立方单一固溶体结构，未出现金属间化合物等复杂相；所述高熵合金微观组织由具有调幅分解结构的等轴晶构成；所述高熵合金屈服强度达到1588MPa，抗压强度达到2827MPa，断裂应变达到13.9％，综合力学性能优异。

实施例3

一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.9:0.1:0.2。

一种本实施例所述CoCrFeNiAl_0.9Cu_0.1Si_0.2高熵合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：采用纯度99.7wt％以上的单质Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si作为原料，利用砂纸和砂轮机除去原料表面的氧化皮，再使用无水乙醇对原料进行超声波清洗，得到洁净的原料，并按照摩尔比精确称量出总质量为60g的洁净原料；

(2)合金熔炼：使用高真空非自耗电弧熔炼炉对洁净的原料进行合金化熔炼：将炉内腔体抽真空，真空度达到2.5×10^-3Pa后，充入纯度为99.999％的高纯氩气作为保护气体，熔炼合金之前，熔炼纯Ti金属锭进一步降低腔内氧含量，然后在1500℃～2000℃进行熔炼。熔炼过程中利用电磁搅拌使合金均匀化，每次熔炼10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次，将最后一次熔炼后得到得到合金液浇铸在模具内，冷却后取出，获得的合金即为CoCrFeNiAl_0.9Cu_0.1Si_0.2高熵合金。

由图1、图2(c)、图3(c)和图4(c)可知，本实施例制得的高熵合金的晶体结构为简单体心立方单一固溶体结构，未出现金属间化合物等复杂相；所述高熵合金微观组织由具有调幅分解结构的等轴晶构成；所述高熵合金屈服强度达到1559MPa，抗压强度达到3355MPa，断裂应变达到22.6％，综合力学性能优异。

实施例4

一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:1.0:0.1:0.2。

一种本实施例所述CoCrFeNiAlCu_0.1Si_0.2高熵合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：采用纯度99.7wt％以上的单质Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si作为原料，利用砂纸和砂轮机除去原料表面的氧化皮，再使用无水乙醇对原料进行超声波清洗，得到洁净的原料，并按照摩尔比精确称量出总质量为60g的洁净原料；

(2)合金熔炼：使用高真空非自耗电弧熔炼炉对洁净的原料进行合金化熔炼：将炉内腔体抽真空，真空度达到2.5×10^-3Pa后，充入纯度为99.999％的高纯氩气作为保护气体，熔炼合金之前，熔炼纯Ti金属锭进一步降低腔内氧含量，然后在1500℃～2000℃进行熔炼，熔炼过程中利用电磁搅拌使合金均匀化，每次熔炼10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次，将最后一次熔炼后得到得到合金液浇铸在模具内，获得的合金即为CoCrFeNiAlCu_0.1Si_0.2高熵合金。

由图1、图2(d)、图3(d)和图4(d)可知，本实施例制得的高熵合金的晶体结构为简单体心立方单一固溶体结构，未出现金属间化合物等复杂相，综合力学性能优异；所述高熵合金微观组织由具有调幅分解结构的等轴晶构成；合金屈服强度达到1571MPa，抗压强度达到2295MPa，断裂应变达到10.2％。

Claims (5)

1.一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其特征在于：所述高熵合金为固溶体相组成，其中，Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.56～1.0:0.1～0.44:0.2。

2.根据权利要求1所述的一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金，其特征在于：Co:Cr:Fe:Ni:Al:Cu:Si的摩尔比依次为：1.0:1.0:1.0:1.0:0.9:0.1:0.2。

3.一种如权利要求1或2所述的CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：

将洁净的单质金属Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Si在真空度2.5×10^-3Pa以下，以氩气作为保护气体，进行合金化熔炼，熔炼过程中搅拌，每次熔炼时间≥10min，得到合金液，冷却得到合金锭，将合金锭翻转，重复熔炼4次以上，得到所述CoCrFeNiAlCuSi高熵合金。

4.根据权利要求3所述的一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法，其特征在于：所述合金化熔炼为电弧熔炼。

5.根据权利要求4所述的一种CoCrFeNiAlCuSi高熵合金的制备方法，其特征在于：电弧熔炼采用高真空非自耗电弧熔炼炉完成。