CN104611604A - 一种四方晶系结构的轻质高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备组成相为四方晶系结构的轻质高熵合金的方法。首先，选取等摩尔轻质合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作为研究对象，通过预合金体的熔炼结合铜模铸造或者甩带快速凝固的方式制备块体以及薄片材料。得到合金材料的主要组成相为四方晶系结构的过饱和固溶体相,合金具有高于800MPa的压缩强度。

Description

一种四方晶系结构的轻质高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及轻质高强合金设计加工领域，具体地说为一种获得高强度的轻质高熵合金的方法。
背景技术
传统的合金系，都是以一种或两种元素作为主要组元，并添加少量其它元素来获得良好的组织以及性能。现有合金诸如钢铁、铝合金、钛合金以及高温合金，金属间化合物等，都属于传统合金的范畴。目前关于晶体相的产生、组织与性能的理论研究也局限于这些一种或两种主要组元的构架的合金系。
高熵合金是由多种元素作为主要的组元，由五种以上主要组元组成，每种组元的含量不超过35at.％，摆脱了传统合金以一种或两者金属元素为主的传统观念。高熵效应给多组元合金带来了一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀、高电阻率等。
但是，目前高熵合金主元素的大多选择密度且熔点较高的Co，Cr，Fe，Ni，Ti等元素，应用在汽车，航空航天等领域有极其严重的能源和资源浪费。这些元素形成的高熵合金为面心立方(FCC)或者体心立方(BCC)结构。如何通过合金设计获得轻质高强高熵合金成为目前研究学者追求的目标。
发明内容
针对现有高熵合金主要组成元素多为高熔点、高密度的元素的局限，本发明要解决的技术问题在于提供一种四方晶系结构的轻质高熵合金及其制备方法；其合金组织组成相为具有四方晶系的过饱和固溶体相，具有超高800MPa的压缩屈服强度。
本发明采用的技术方案为一种四方晶系结构的轻质高熵合金，其组成成分为：Al，Mg，Ca，Li和Cu，各个组成成分的摩尔比为：1:1:1:1:1。
如上所的四方晶系结构的轻质高熵合金的制备方法，其以等摩尔比的轻质合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作为研究对象，通过预合金的熔炼，最后通过铜模内铸造或者甩带的方式获得高熵合金材料；其具体过程如下：
1)、选取纯镁、钙、铜和铝-锂中间合金,其中Al，Mg，Ca，Li和Cu的摩尔比为：1:1:1:1:1；
2)、在添加覆盖剂的前提下在电阻炉里进行Mg的熔化，电阻炉设定温度为965-980K；熔炼时间为15-25分钟；
3)、向电阻炉内添加Ca和Cu元素，熔炼温度提高到1000-1050K进行精炼合金化，熔炼时间为35-45分钟；将电子炉的炉温降低到980-990K,进行浇注成圆棒预制合金铸锭；
4)、将步骤3)制得的镁-钙-铜预合金锭和铝-锂中间合金通过在真空炉中真空冶炼的方式进行合金化，真空冶炼的熔体通过旋转铜模以甩带的方式制成薄片。
所述真空炉中的真空度大于10-3Pa；熔炼温度为970-80K,熔炼时间为25-35分钟。
所述旋转铜模以甩带的凝固速率大于104k/s。
经过X-射线衍射分析(XRD)分析结果，可得通过快速凝固以后，合金的主要组成相为四方晶系结构的过饱和固溶体。通过微压缩技术，测得Al-Mg-Ca-Li-Cu薄带的压缩强度为836MPa。
本发明具有如下的优点及有益效果：
1)、采用熔点和密度较低的合金元素Al，Mg，Ca，Li,Cu作为主要的合金化元素，实现了轻质化目的，节约了能源，降低了成本。
2)、应用预合金体的熔炼以及后续甩带的方式进行制备高熵合金，预合金体通过电阻炉结合覆盖剂制备而成，具有工艺相对简单的优点。
3)、制备得到的高熵合金薄片具有具有四方晶系结构(tetragonalsystem)的过饱和固溶体相，具有超高800MPa的压缩屈服强度。合金开具有极高比强度，可加工成多种形式的产品，在汽车、3C产业和航空航天上有广泛的应用。
4)、高熔点元素加入量为微量，故而合金的成本很低。材料制备工艺简单，合金采用常规的工艺即可实现。产业化投资对于一般工厂可利用现有设备即可，投资低廉。
5)、纯Al，Mg，Ca，Li以及Cu元素合金价格比较便宜，合金的成本很低。材料制备工艺相对简单，可实现产业化。
附图说明
图1为本发明实施例的Al-Mg-Ca-Li-Cu高熵合金的XRD分析；
图2为本发明实施例的Al-Mg-Ca-Li-Cu高熵合金的压缩曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细地说明：
本发明将纯Al，Mg，Ca，Li以及Cu元素按等摩尔比进行合金的配制；首先以纯元素镁、钙、铜元素在电阻炉中添加覆盖剂进行预合金锭冶炼，然后预合金锭和铝-锂中间合金通过真空冶炼方式进行合金化，熔体通过铜模内铸造或者甩带的方式制成高熵合金材料。制备得到的高熵合金薄片具有具有四方晶系结构(tetragonal system)的过饱和固溶体相。将获得材料进行室温压缩，测得压缩屈服强度大于800MPa.
实施例
采用纯Mg,Ca,Cu元素，按等摩尔比进行预合金的配制。首先，在添加覆盖剂的前提下在电阻炉里进行Mg的熔化，电阻炉设定温度为973K。熔炼时间为20分钟。然后添加Ca和Cu元素，熔炼温度提高到1023K进行精炼合金化，熔炼时间为40分钟。然后，把炉温降低到983K,进行浇注成圆棒预制合金铸锭。
预制合金锭和Al-Li中间合金按等摩尔比进行第二次合金配制。然后在真空炉中进行冶炼，真空度达到10-3Pa以上。熔炼温度为973K,熔炼时间为30分钟，然后在直径为5mm的铜模内凝固或者甩带，获得快速凝固的材料。图2为Al-Mg-Ca-Li-Cu薄带的XRD分析结果，可见通过快速凝固以后，合金的主要组成相为四方晶系结构的过饱和固溶体，说明高熵效应得到充分的发挥。通过室温压缩，测得材料的压缩强度为836MPa。

Claims (4)

1.一种四方晶系结构的轻质高熵合金，其特征在于：其组成成分为：Al，Mg，Ca，Li和Cu，各个组成成分的摩尔比为：1:1:1:1:1。
2.如权利要求1所述的四方晶系结构的轻质高熵合金的制备方法，其特征在于：其以等摩尔比的轻质合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作为研究对象，通过预合金的熔炼，最后通过铜模内铸造或者甩带的方式获得高熵合金材料；其具体过程如下：
1)、选取纯镁、钙、铜和铝-锂中间合金,其中Al，Mg，Ca，Li和Cu的摩尔比为：1:1:1:1:1；
2)、在添加覆盖剂的前提下在电阻炉里进行Mg的熔化，电阻炉设定温度为965-980K；熔炼时间为15-25分钟；
3)、向电阻炉内添加Ca和Cu元素，熔炼温度提高到1000-1050K进行精炼合金化，熔炼时间为35-45分钟；将电子炉的炉温降低到980-990K,进行浇注成圆棒预制合金铸锭；
4)、将步骤3)制得的镁-钙-铜预合金锭和铝-锂中间合金通过在真空炉中真空冶炼的方式进行合金化，真空冶炼的熔体通过旋转铜模以甩带的方式制成薄片。
3.根据权利要求2所述的四方晶系结构的轻质高熵合金的制备方法，其特征在于：所述真空炉中的真空度大于10-3Pa；熔炼温度为970-80K,熔炼时间为25-35分钟。
4.根据权利要求2所述的四方晶系结构的轻质高熵合金的制备方法，其特征在于：所述旋转铜模以甩带的凝固速率大于104k/s。
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