CN106086486A - 一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。所述高熵合金成分按原子数比计为AlaTibCrcFedNieVf，其中，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0.9～1.0，d＝0.8～1.0，e＝1.5～3.0，f＝0.1～0.3；所述制备方法步骤依次为去除氧化皮、超声清洗、称料、熔炼。所述合金具有FCC结构，具有良好的强韧性匹配，力学性能优异；所述制备方法易操作且安全可靠，经济实用。

Description

一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。
背景技术
高熵合金是近年来发展起来的有别于传统合金的新型合金材料，它由5～13种主要元素组成，组成元素具有相等或近似相等的原子比。多主元高熵合金凝固后，不会形成复杂的金属间化合物，而是形成简单的FCC或BCC固溶体。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。利用这些效应，合理设计合金的成分，可以获得高硬度、高强度，良好的耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温氧化性等良好的综合特性。
尽管高熵合金性能优异，但普遍强韧性匹配较差。例如，FeCoNiCrMn高熵合金的拉伸塑形可达60％，但其抗拉强度却低于500MPa；而AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金的压缩强度高达3200MPa，但几乎无拉伸塑性。Ti元素和Al元素的微量加入都能促进第二相的析出，从而强化高熵合金性能，但是并不是对所有的高熵合金都能提高强韧性匹配。如对AlFeCrCoCu合金，加入Ti元素可显著提升合金的硬度，但几乎无拉伸塑性。已有的AlCrFeNiV体系高熵合金，虽然具有一定的强韧性匹配效果，但是对于实际应用还不足够。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种强韧性匹配良好的高熵合金，所述合金力学性能优异，兼具高强度与大塑性。
本发明的目的之二在于提供了一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，所述方法操作简单，安全可靠，经济实用。
为了实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种强韧性匹配良好的高熵合金，所述高熵合金按原子数比计为AlaTibCrcFedNieVf，其中，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0.9～1.0，d＝0.8～1.0，e＝1.5～3.0，f＝0.1～0.3。
所述a、b、c、d、e、f的取值优选a＝0.2～0.4，b＝0.1～0.3，c＝0.9，d＝1.0，e＝2.0～3.0，f＝0.2。
一种本发明所述的强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1：将洁净的原料：Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于熔炼炉内，真空度小于或等于1.0×10-3MPa时，充入保护气体，进行熔炼，同时搅拌，得到合金锭。
步骤2：将合金锭翻转后重复步骤1中的熔炼和搅拌过程，确保成分均匀，得到所述具有良好强韧性匹配的高熵合金。
其中，所用原料Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V的纯度大于或等于99.7wt％。
优选的，使用砂纸和砂轮机对所选原料进行打磨，清洗，得到洁净的原料；
优选的，清洗时使用丙酮超声清洗；所述搅拌为磁场搅拌；所述保护气体为氩气；所述熔炼炉优选高真空非自耗电弧熔炼炉；
优选的，将合金锭翻转后重复步骤2中的熔炼和搅拌过程两次以上。
有益效果
(1)本发明所述高熵合金屈服强度明显提升，获得了更好的强韧性匹配，力学性能优异；
(2)本发明所选原料均无毒害，且易获取；
(3)本发明所述制备方法易操作且安全可靠，经济实用。
附图说明
图1为实施例制备得到的高熵合金的X射线衍射(XRD)谱图；
图2为实施例1制备得到的Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的光学显微镜照片；
图3为实施例1制备得到的Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图4为实施例2制备得到的Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的光学显微镜照片；
图5为实施例2制备得到的Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图6为实施例3制备得到的Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的光学显微镜照片；
图7为实施例3制备得到的Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图8为实施例制备得到的高熵合金的拉伸应力-应变曲线；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但不限于此。
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生产的DHL-400型高真空非自耗电弧熔炼炉；
对所得高熵合金的力学性能测试和组织结构的表征信息如下：
(1)物相分析：采用日本理学公司SMARTLAB X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40kV和190mA，X射线源为Cu Kα(λ＝＝0.1542nm)射线。
(2)微观组织：采用德国Axio observer A1m型研究级金相显微镜和HITACHIS4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观组织表征；
(3)准静态拉伸力学性能测试：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温准静态拉伸试验，测试试样依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字试样，应变率10-3s-1；
以下实施例中所述单质Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V的纯度均为99.7wt.％。
实施例1
一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按原子数比计为Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2，所述方法具体步骤如下：
步骤1：使用60号SiC砂纸和砂轮机对单质Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V进行打磨，得到洁净的原料，使用丙酮超声清洗，称得总质量为80g的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V，再次超声清洗。
步骤2：将超声清洗后的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于高真空非自耗电弧熔炼炉内，真空度小于或等于1.0×10-3MPa时后，充入氩气保护，进行电弧熔炼，得到合金液后，磁场搅拌，得到合金锭。
步骤3：将合金锭翻转后重复步骤2中的熔炼和搅拌过程两次，得到本实施例所述Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金。
用线切割工艺将所得Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金进行切割，金相样品的尺寸为4×4×3(单位：mm)，XRD样品的尺寸为10×10×3(单位：mm)，拉伸样品依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T 228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，对XRD试样和拉伸试样进行粗磨，对拉伸样品用丙酮进行超声清洗两次，得到Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待测样。
对所述Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，衍射晶面指数平方和之比为3:4:8:11，可知Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶体相组成。
对所述Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图2所示，扫描电子显微镜(SEM)如图3所示，可知，部分析出物沿晶界析出；其中，图2中白色区域为基体相，黑色区域为析出相。
对所述Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知Al0.4Ti0.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的室温拉伸屈服强度为545MPa，抗拉强度为766MPa，断后延伸率为47.7％。
实施例2
一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按原子数比计为Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2，所述方法具体步骤如下：
步骤1：使用60号SiC砂纸和砂轮机对单质Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V进行打磨，得到洁净的原料，使用丙酮超声清洗，称得总质量为80g的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V，再次超声清洗。
步骤2：将超声清洗后的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于高真空非自耗电弧熔炼炉内，真空度小于或等于1.0×10-3MPa时后，充入氩气保护，进行电弧熔炼，得到合金液后，磁场搅拌，得到合金锭。
步骤3：将合金锭翻转后重复步骤2中的熔炼和搅拌过程两次，得到本实施例所述Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金。
用线切割工艺将所得Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金进行切割，金相样品的尺寸为4×4×3(单位：mm)，XRD样品的尺寸为10×10×3(单位：mm)，拉伸样品依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T 228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，对XRD试样和拉伸试样进行粗磨，对拉伸样品用丙酮进行超声清洗两次，得到Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待测样。
对所述Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，衍射晶面指数平方和之比为3:4:8:11，可知Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶体相组成。
对所述Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图4所示，扫描电子显微镜(SEM)如图5所示，可知，析出物按一定规律较整齐地排列，呈方齿状分布于基体上。其中，图4中白色区域为基体相，黑色区域为析出相。
对所述Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知Al0.3Ti0.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的室温拉伸屈服强度为694MPa，抗拉强度为877MPa，断后延伸率为16.3％。
实施例3
一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按原子数比计为Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2，所述方法具体步骤如下：
步骤1：使用60号SiC砂纸和砂轮机对单质Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V进行打磨，得到洁净的原料，使用丙酮超声清洗，称得总质量为80g的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V，再次超声清洗。
步骤2：将超声清洗后的Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于高真空非自耗电弧熔炼炉内，真空度小于或等于1.0×10-3MPa时后，充入氩气保护，进行电弧熔炼，得到合金液后，磁场搅拌，得到合金锭。
步骤3：将合金锭翻转后重复步骤2中的熔炼和搅拌过程两次，得到本实施例所述Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金。
用线切割工艺将所得Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金进行切割，，金相样品的尺寸为4×4×3(单位：mm)，XRD样品的尺寸为10×10×3(单位：mm)，拉伸样品依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T 228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，对XRD试样和拉伸试样进行粗磨，对拉伸样品用丙酮进行超声清洗两次，得到Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待测样。
对所述Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，衍射晶面指数平方和之比为3:4:8:11，可知Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶体相组成。
对所述Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图6所示，扫描电子显微镜(SEM)如图7所示，可知，析出物按一定顺序整齐地排列于基体上。其中，图6中白色区域为基体相，黑色区域为析出相；图7中A区域为析出相，B区域为基体。
对所述Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知Al0.2Ti0.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的室温拉伸屈服强度为820MPa，抗拉强度为996MPa，断后延伸率为7.5％。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强韧性匹配良好的高熵合金，其特征在于：所述高熵合金按原子数比计为AlaTibCrcFedNieVf，其中，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0.9～1.0，d＝0.8～1.0，e＝1.5～3.0，f＝0.1～0.3。
2.根据权利要求1所述的一种强韧性匹配良好的高熵合金，其特征在于：a＝0.2～0.4，b＝0.1～0.3，c＝0.9，d＝1.0，e＝2.0～3.0，f＝0.2。
3.一种如权利要求1或2所述的强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，其特征在于：
步骤1：将洁净的原料：Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于熔炼炉内，真空度小于或等于1.0×10-3MPa时，充入保护气体，进行熔炼，同时搅拌，得到合金锭；
步骤2：将合金锭翻转后重复步骤1中的熔炼和搅拌过程，确保成分均匀，得到所述具有良好强韧性匹配的高熵合金；
其中，所用原料Al、Ti、Cr、Fe、Ni和V的纯度大于或等于99.7wt％。
4.根据权利要求3所述的一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，其特征在于：使用砂纸和砂轮机对所选原料进行打磨，清洗，得到洁净的原料。
5.根据权利要求4所述的一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，其特征在于：清洗时使用丙酮超声清洗。
6.根据权利要求3所述的一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氩气；所述熔炼为高真空非自耗电弧熔炼；所述搅拌为磁场搅拌。
7.根据权利要求3所述的一种强韧性匹配良好的高熵合金的制备方法，其特征在于：将合金锭翻转后重复步骤2中的熔炼和搅拌过程两次以上。
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