CN108048724A - 一种高性能高熵合金及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能高熵合金及其加工方法，所述的高熵合金的母合金为(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99‑xMo1Cx；按照母合金的名义成分配料并进行熔炼，其中掺杂碳元素的含量0＜x≤1wt％。所述的加工方法包括以下步骤：S1、按照母合金(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99‑xMo1Cx的名义成分配料，0＜x≤1wt％；S2、将母合金的各个成分放入感应炉中进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100‑500μm之间的铸态合金。本发明的高熵合金具有效降低了材料的层错能，诱发孪晶变得更为容易；并协调好强度和塑性之间的关系，成本低，具备较强的经济性。

Description

一种高性能高熵合金及其加工方法
技术领域
本发明属于高性能合金技术领域，具体为一种高性能高熵合金及其加工方法。
背景技术
高熵合金是在非晶合金基础上发展起来的一类新合金，这类合金一般含有五种及以上的合金元素，每种元素含量均在5％以上，无明显优势元素，结构上一般为单相的面心立方(FCC)结构或者体系立方(BCC)结构，有时也会出现面心立方(FCC)和体系立方(BCC)的混合结构。FCC结构的高熵合金一般具有较高的塑性、热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性能。自提出以来，FCC结构的高熵合金获得了广泛的关注和研究，被认为是一种潜在的具有很大优势的结构材料。
但是目前FCC结构的高熵合金体系，如Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64，却表现出塑性过剩而强度不足的特点，限制了该类合金的实际使用。因此，在实际应用中常常需要在强度和塑性中进行平衡。在现有技术中，通过引入传统的材料强化手段，如沉淀强化和细晶强化，虽然可以提高FCC结构高熵合金的室温强度，但却引起塑性的显著降低，极大的限制了FCC结构高熵合金的应用。采用固溶强化，包括置换固溶和间隙固溶，被认为是可以较好地协调强度和塑性的一种手段，尤其是当固溶元素可以优化合金的层错能进而调控孪晶的时候，可以同时大幅度提高材料的强度和塑性，但是诱发孪晶则需要满足一定的条件。这种条件不易达到，且达到这种条件的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于解决Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64合金(原子比为Fe40Mn40Co10Cr10)面临的室温强度不足等问题，并协调好强度和塑性之间的关系，提供了一种高性能高熵合金及其加工方法。
本发明通过合金元素的掺杂，降低材料的层错能；通过合理的成分配比关系和工艺设计，较大的提升高熵合金室温下的性能，平衡强度和塑性，并推动其实际应用。
本发明通过在Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64合金中引入一定含量的(1％左右)钼元素，一方面与基体形成置换固溶体；另一方面降低层错能，使合金在室温条件下就可以诱发孪晶生成。另外，再引入一定含量的碳元素，与基体形成间隙固溶体，另一方面碳元素能够通过固溶为基体提供额外的强度增量，有效提高材料的室温强度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高性能高熵合金，按照母合金(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx的名义成分配料并进行熔炼，掺杂碳元素的含量0＜x≤1wt％。
优选的，所述的x＝0.75。
优选的，所述的x＝1。
一种高性能高熵合金的加工方法，所述的加工方法包括以下步骤：
S1、按照母合金(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx的名义成分配料，其中，0＜x≤1wt％；
S2、将母合金配好料的各个成分放入真空感应炉或者氩气保护的感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1450-1550摄氏度；熔炼时间为五分钟；至少熔炼4次，以使得成分均匀，获得晶粒尺寸在约100-500μm之间的铸态合金。
优选的，所述步骤S2中的熔炼温度为1500摄氏度。
与现有技术相比，本发明的一种高性能高熵合金具有以下有益效果：
(1)本发明有效降低了材料的层错能，诱发孪晶变得更为容易。
(2)本发明中的碳元素作为良好的间隙原子，能够极大的提高材料在室温时的性能。
(3)本发明中的钼元素作为良好的置换原子能够与基体形成置换固溶体，并能降低层错能延缓碳元素加入引起的韧性和强度的交换交易。
(4)本发明中的适当的掺杂量和合理C、Mo原子搭配能够提供丰富的性能调控组合手段，C、Mo原子在高熵合金中互相加强各自的作用，从而使高熵合金能够获得更加合理的强度和塑性搭配，而且总体合金元素的含量合理，成本低，具备较强的经济性。
附图说明
图1为使用真空感应炉小质量熔炼的不同碳含量铸态(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx合金的拉伸性能曲线；
图2为使用真空感应炉小质量熔炼的不同碳含量铸态(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx合金的XRD曲线；
图3为本发明中x＝1的高熵合金与其它合金的性能对比
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高性能高熵合金的加工方法，所述的加工方法包括以下步骤：按照母合金(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx的名义成分配料并进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100-500μm之间的铸态合金；其中，0＜x≤1wt％。
1)按照名义成分为(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99.25Mo1C0.75的组成进行配料，总质量100g左右，在真空感应炉内进行熔炼，熔炼温度为1450-1550摄氏度，优选为1500摄氏度；熔炼时间为五分钟，获得晶粒尺寸在100μm左右的铸态合金；
2)该种方法下，单次100g进行熔炼可以保证成分和组织均匀性，且材料屈服强度约为413MPa、抗拉强度约774MPa，满足服役要求，无需后续处理，可直接使用；
该成分的高熵合金铸锭的拉伸曲线如图1中X＝0.75曲线所示。从图1中可见与同种方法下制备的不含碳的Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64合金相比，其强度和塑性综合要更优异，尤其是屈服强度较不含碳(240MPa)的提高约72％，抗拉强度较不含碳(480MPa)的提高约62％。
该成分的XRD结构分析如图2曲线X＝0.75所示，衍射峰教曲线整体向左偏移0.5°左右，说明加入碳钼元素后发生晶格畸变。
实施例2
1)按照名义成分为(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99Mo1C1的组成进行配料，总质量100g左右，在氩气保护下感应炉内进行熔炼，熔炼温度为1450-1550摄氏度，优选为1500摄氏度；熔炼时间为五分钟，获得晶粒尺寸在100μm左右的铸态合金；
2)该种方法下，单次100g进行熔炼可以保证成分和组织均匀性，且材料屈服强度约560MPa、抗拉强度约1024MPa，满足高熵合金的服役要求，无需后续处理，可直接使用；
该成分的铸锭的拉伸曲线如图1中x＝1所示，可见与同种方法下制备的不含碳Mo与C的Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64合金相比，其强度和塑性的综合要更优异，尤其是屈服强度较不含碳(240MPa)提高约133％，抗拉强度较不含碳(471MPa)提高约117％；
该成分的XRD结构分析如图2曲线X＝1所示，衍射峰曲线整体向左偏移0.5°左右，说明加入碳钼元素后发生晶格畸变。
对比例1
1)按照名义成分为(Fe40Mn40Co10Cr10)的组成进行配料，总质量100g左右，在真空感应炉内进行熔炼，熔炼温度为1500摄氏度，熔炼时间为五分钟，获得晶粒尺寸在100μm左右的铸态合金；
2)该种方法下，单次100g进行熔炼可以保证成分和组织均匀性，且材料抗拉强度约471MPa；该成分的铸锭的拉伸曲线如图1曲线Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64所示。
对比例2
1)按照名义成分为(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99Mo1，(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99C0.75，(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99C1的组成进行配料，总质量100g左右，在真空感应炉下进行熔炼，熔炼五分钟，获得晶粒尺寸在100-500μm左右的铸态合金；它们的应力应变曲线分别对应于图1中的只加1.0Mo、不加Mo只加0.75C和不加Mo只加1.0C。
2)该种方法下获得的高熵合金不如X＝0.75和X＝1高熵合金的综合力学性能优异。
对比例3
如图3所示，将本专利开发的高熵合金与其它成分的高熵合金或钢进行对比能够发现，X＝1合金同样具有较好的性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高性能高熵合金，其特征在于，所述的高熵合金的母合金为(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx(质量百分百wt％)；按照母合金的名义成分配料并进行熔炼，其中掺杂碳元素的含量0＜x≤1wt％。
2.根据权利要求1所述的一种高性能高熵合金，其中所述x＝0.75。
3.根据权利要求1所述的一种高性能高熵合金，其中所述x＝1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高性能高熵合金，其特征在于，熔炼得到的高性能高熵合金的晶粒尺寸为100-500μm。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的一种高性能高熵合金的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括以下步骤：
S1、按照母合金(Fe40.32Mn39.66Co9.38Cr10.64)99-xMo1Cx的名义成分配料，其中，0＜x≤1wt％；
S2、将母合金的各个成分放入感应炉中进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100-500μm之间的铸态合金。
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