CN107675046B - 一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法，所设计的高熵合金的组分原子表达式为AlxMgyCuzZnvSiw，其中x+y+z+v+w＝100，x＝55～90，y＝7～35，z＝1～5，v＝1～5，w＝0.3～1。涉及合金的相结构以面心立方(FCC)固溶体为主。本发明还提供一种AlxMgyCuzZnvSiw高熵合金的制备方法，其为真空感应熔炼并直接浇铸得到合金铸锭，制备过程无污染，低能耗，成本低，使轻质块体高熵合金得制备成为可能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金突破传统设计理念按等原子比或近等原子比合金化，一般含有5～13种元素，且无法区分固溶体中的溶剂组元和溶质组元，形成无序多组元超级固溶体。高熵效应有效抑制了金属间化合物的析出，降低了多组元合金引起的合金脆性，形成了以固溶体为主的相结构。
已有的研究发现，高熵合金独特的固溶体结构往往会使其具有一些传统合金无法比拟的优异性能，如高强度，高硬度，高耐磨耐腐蚀性，高热阻等。这些性能可以满足航空航天材料制造的零件在超高温，超低温，高真空，高应力，强腐蚀等极端条件下的工作需要。目前，已经得到广泛研究的高熵合金体系主要由Co、Cr、Fe、Ni、Cu、Mn、Ti等拥有原子核外3d亚层电子的过渡族金属元素组成。然而，大量的过渡族金属元素的添加也给高熵合金作为航空航天结构材料的应用带来了一些问题。比如：(1)密度大。航空航天材料的特殊工作条件要求材料的比强度高，即要求材料不但强度高而且密度小，但是过渡族金属元素往往具有较大的密度，这势必会导致多组元高熵合金的密度较大。(2)成本高。显然，现有的高熵合金组元的原材料价格往往不菲，加之各组元在高熵合金中具有较高的原子百分比，因此大幅提高了合金的制造成本。(3)能耗高，传统高熵合金组元往往具有较高的熔点，这势必造成合金熔炼能耗的提高。
较一般铝系合金而言，该合金铸态条件下的断裂强度已经完全可以与其他合金如7系高强铝合金加工变形态及热处理时效强化态合金的强度相媲美(国内700MPa，国外900MPa)，另外合金中存在的Mg32(AlZn)49相在高温条件下为不稳定相，可以通过后续热处理进一步提高合金的强度，同时合金通过后续变形加工后，其加工态的强度的提升空间很大。
本发明针对以上这些问题采用真空感应熔炼并浇铸的方法制备了一种新型低成本轻质高强铝镁铜高熵合金。
发明内容
针对上述现状，本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种轻质高强铝镁铜高熵合金，其铸态抗压强度超过800MPa，塑性超过18.5％，密度低于3g/cm3。
一种轻质高强铝镁铜高熵合金的制备方法。
一种轻质高强铝镁铜高熵合金，其特征在于该合金的分子式为AlxMgyCuzZnvSiw，下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x+y+z+v+w＝100，x＝55～90，y＝7～35，z＝1～5，v＝1～5，w＝0.3～1。
如上所述轻质高强铝镁铜高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按与原子摩尔百分比将组分中的Al、Mg、Cu、Zn、Si配料，各成分配比误差在±0.3％范围内。
配料前用砂轮机将各原料表面氧化层去除，再用电子天平称取原料。其中各原料纯度均大于99.9％；
步骤2：将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素置于最下方，熔点最高的元素放在最上方。
步骤3：将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，用机械泵抽真空至20Pa以下，再通入氩气至0.3MPa；
步骤4：启动高频感应装置，控制感应电流加热，待合金锭熔化完全后，保持合金熔融状态保温20～35min，使各元素合金扩散均匀；
步骤5：关闭感应电源，将合金熔体浇铸到钢模具中，得到合金铸锭。
步骤4中所述合金熔融时的温度控制在700℃～1000℃之间。
本发明采用真空感应熔炼并直接浇铸得到AlxMgyCuzZnvSiw高熵合金铸锭，制备过程无污染，低能耗，成本低，使轻质块体高熵合金得制备成为可能。
附图说明
图1为本发明实施例5中Al85Mg10.5Cu2Zn2Si0.5轻质高强铝镁铜高熵合金的X射线衍射(XRD)图谱。
图2为本发明实施例5中Al85Mg10.5Cu2Zn2Si0.5轻质高强铝镁铜高熵合金的扫描电镜(SEM)照片。
图3为本发明实施例5中Al85Mg10.5Cu2Zn2Si0.5轻质高强铝镁铜高熵合金的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al58.5Mg31.5Cu4.5Zn4.5Si1，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al58.5Mg31.5Cu4.5Zn4.5Si1的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径75mm的钢模具中。
实施例2
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al63Mg27Cu4.5Zn4.5Si1，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al63Mg27Cu4.5Zn4.5Si1的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为75mm的钢模具中。
实施例3
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al67.5Mg22.5Cu4.5Zn4.5Si1，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al67.5Mg22.5Cu4.5Zn4.5Si1的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为75mm的钢模具中。
实施例4
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al80Mg14Cu2.7Zn2.7Si0.6，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al80Mg14Cu2.7Zn2.7Si0.6的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为75mm的钢模具中。
实施例5
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al85Mg10.5Cu2Zn2Si0.5，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al85Mg10.5Zn2Cu2Si0.5的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为75mm的钢模具中。
实施例6
本实例的轻质高强铝镁铜高熵合金的分子式为Al90Mg7Cu1.35Zn1.35Si0.3，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Al、Mg、Cu、Zn、Si按Al90Mg7Cu1.35Zn1.35Si0.3的成分配制100g。将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素放在最下方，熔点最高的元素放在最上方。将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，控制感应加热电流，当合金锭熔化后，保持合金熔融状态30min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为75mm的钢模具中。
综上所述，本发明一种轻质高强铝镁铜高熵合金及其制备方法简单易行。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种轻质高强铝镁铜高熵合金，其特征在于，该合金的分子式为AlxMgyCuzZnvSiw，下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x+y+z+v+w＝100，x＝55～90，y＝7～35，z＝1～5，v＝1～5，w＝0.3～1；
所述轻质高强铝镁铜高熵合金，其铸态抗压强度超过800MPa，塑性超过18.5，密度低于3g/cm3。
2.权利要求1轻质高强铝镁铜高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按原子摩尔百分比将组分中的Al、Mg、Zn、Cu、Si配料，各成分配比误差在±0.3％范围内；
配料前用砂轮机将各原料表面氧化层去除，再用电子天平称取原料， 其中各原料纯度均大于99.9％；
步骤2：将配好的原料按照熔点由低到高的顺序依次放进石墨坩埚中，熔点最低的元素置于最下方，熔点最高的元素放在最上方；
步骤3：将装好合金料的石墨坩埚放进螺旋形感应线圈中，用机械泵抽真空至20Pa以下，再通入氩气至0.3MPa；
步骤4：启动高频感应装置，控制感应电流加热，待合金锭熔化完全后，保持合金熔融状态保温20～35min，使各合金元素扩散均匀；
步骤5：关闭感应电源，将合金熔体浇铸到钢模具中，得到合金铸锭；
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