CN108149117B - 一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法。本发明公开了一种具有更高硬度的MoCrFeMnNi高熵合金。该MoCrFeMnNi高熵合金由等摩尔比的Mo、Cr、Fe、Mn和Ni元素组成，其制备过程包括：步骤S1，按质量百分比计，秤取反应原料；步骤S2，对反应原料进行混合处理并压制获得胚体；步骤S3，进行铝热反应获得MoCrFeMnNi高熵合金；步骤S4，对获得MoCrFeMnNi高熵合金进行退火处理。采用本发明的方法获得的MoCrFeMnNi高熵合金，不仅具有更高的硬度，而且制备工艺简单，加工成本低能耗小。

Description

一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法。
背景技术
多主元高熵合金是一种采用新的材料设计理念制备得到的材料，其中多主元高熵合金一般含有5种或5种以上元素，并且每种元素含量在5％～35％之间，所有主要元素的原子百分比含量基本相当。由于高熵合金具有高硬度、耐腐蚀、耐高温氧化等优异的性能，越来越引起了人们的广泛关注和研究。
现在高熵合金很多研究的合金系是由Cr、Fe、Co和Ni等四个过渡族金属元素加上一两个其它元素熔炼而成的高熵合金，这四种元素有很好的互溶性。目前研究较多的是添加Al元素，研究铝含量的变化对高熵合金合金性能和组织的影响。在公布号为CN107267843A的中国专利申请文件中，公开了一种AlCoCrFeNi高熵合金及其制备方法，采用该文件中的方法制备而成的AlCoCrFeNi高熵合金平均硬度只有550HV，无法满足一些对硬度要求更高工况的使用。
发明内容
本发明提出了一种具有更高硬度的MoCrFeMnNi高熵合金。该MoCrFeMnNi高熵合金由等摩尔比的Mo、Cr、Fe、Mn和Ni元素组成，并且其相组成包括面心立方、体心立方以及σ析出相。
该MoCrFeMnNi高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Mo粉末25％～27％、Cr粉末13％～15％、Fe2O3粉末21％～22％、Mn粉末14％～15％、Ni粉末15％～16％、Al粉末7％～8％以及KClO3粉末2％；
步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；
步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；其次向反应釜内充入1MPa～3MPa氩气，保持5min～15min后排出气体；待反应釜内温度加热至110℃～130℃时再次排出反应釜内残余的气体；然后再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至4MPa～6MPa；待反应釜内温度升至160℃～180℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得块状MoCrFeMnNi高熵合金；
步骤S4，对获得的块状MoCrFeMnNi高熵合金进行退火处理并随炉冷却至室温；其中，退火处理的温度为700℃～800℃，退火时间为6h～12h。
优选的，在所述步骤S1中，反应原料中Mo粉末、Cr粉末、Fe2O3粉末、Mn粉末、Ni粉末和Al粉末的分析纯均为99％以上。
进一步优选的，在所述步骤S1中，按质量百分比计，反应原料中Mo粉末为25.53％、Cr粉末为13.84％、Fe2O3粉末为21.25％、Mn粉末为14.62％、Ni粉末为15.58％、Al粉末为7.18％以及KClO3粉末为2％。
优选的，在所述步骤S2中，采用30MPa～50MPa的压力对反应原料进行坯体压制。
优选的，在所述步骤S3中，铝热反应完成后获得的反应产物外表面包裹有一层Al2O3外壳，敲除Al2O3外壳后获得块状MoCrFeMnNi高熵合金。
优选的，在所述步骤S4中，退火处理的温度为800℃，退火时间为6h。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出了一种全新的MoCrFeMnNi高熵合金，该高熵合金与现有的AlCoCrFeNi高熵合金相比较具有更高的硬度，因此可以应用于对硬度要求更高的工况中。
2、本发明的MoCrFeMnNi高熵合金制备方法利用铝热反应，只需要对反应釜进行加热至170℃，即可利用铝热反应过程中放出的热量对金属粉末进行熔化，获得块状的MoCrFeMnNi高熵合金。这样，不仅可以简化工艺流程，提高制备效率，而且铝热反应开始后不再需要外热源，从而可以减少能耗，降低成本。
3、在本发明中通过对获得的MoCrFeMnNi高熵合金进行合适的退火处理，从而进一步提高MoCrFeMnNi高熵合金的硬度。
附图说明
图1为对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2进行衍射分析获得的XRD图；
图2为实施例1中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图3为实施例2中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图4为对比例1中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图5为对比例2中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图6为实施例1中获得MoCrFeMnNi高熵合金的高倍SEM图；
图7为实施例2中获得MoCrFeMnNi高熵合金的高倍SEM图；
图8为对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2进行硬度检测获得的硬度值曲线图；
图9为对实施例1、对比例1和对比例2进行压缩试验获得的压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
实施例1
步骤S1，按质量百分比秤取总重量为300g的反应原料。其中，反应原料中Mo粉末为25.53％、Cr粉末为13.84％、Fe2O3粉末为21.25％、Mn粉末为14.62％、Ni粉末为15.58％、Al粉末为7.18％以及KClO3粉末为2％。此外要求，Mo粉末、Cr粉末、Fe2O3粉末、Mn粉末、Ni粉末和Al粉末的分析纯均为99％以上。
步骤S2，首先借助QM-1SP4行星式球磨机对反应原料进行混合处理。其中，将球磨机的转速设定为120r/min，将球料比设定为1：2，进行12h的混合，并且每隔2h改变球磨机的转向，保证反应原料的均匀混合。然后将混合均匀的反应物料放置在Y32-100t液压机上，并且在40MPa的压力作用下，在模具中将反应原料压制成直径为80mm、高度约15～20mm圆饼状坯体。
步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并取2g的引燃剂制成薄片状放置在坯体的上表面中心位置。其中，引燃剂既可以选用含硫铝锰的混合物也可以采用镁条。其次将反应釜密闭后，在室温条件下向反应釜内充入1MPa氩气，并保持10min后排出气体。此时，由于反应釜内的氩气和空气的密度不一样，空气位于氩气的上方，因此排气过程中首先对空气进行排放，完成反应釜内空气的排除。待反应釜内温度加热至120℃时，再次排出反应釜内残余的气体，并且向反应釜内再充入氩气使反应釜内的压强上升至5MPa。待反应釜内温度升至170℃时，反应釜内发生铝热反应和KClO3分解反应释放出大量的热量，而放出的大量热量将金属单质粉末熔化形成合金溶体。在此过程中，产生液态的Al2O3和KCl，由于液态Al2O3和KCl的密度比较小，而合金熔体的密度相对来说比较大，且液态Al2O3和KCl与合金熔体互不相溶，因此液态Al2O3和KCl会上浮至合金熔体的上部和四周，并且凝固冷却后形成Al2O3壳体包裹在合金熔体的外表面。最后待铝热反应完成并且反应釜冷却至室温后，取出反应产物用锤子敲破反应产物外表面的Al2O3壳体，获得块状的MoCrFeMnNi高熵合金。
步骤S4，对获得的MoCrFeMnNi高熵合金进行退火处理并随炉冷却至室温。其中，退火处理的温度为800℃，退火时间为6h。
实施例2，采用与实施例1相同的方法进行MoCrFeMnNi高熵合金的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，退火温度为700℃，退火时间为12h。
对比例1，采用与实施例1相同的方法进行MoCrFeMnNi高熵合金的制备，其区别仅在于，对获得的MoCrFeMnNi高熵合金不进行退火处理保持铸态。
对比例2，采用与实施例1相同的方法进行MoCrFeMnNi高熵合金的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，退火温度为1000℃，退火时间为3h。
接下来，分别对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2中获得的MoCrFeMnNi高熵合金进行合金组织及性能检测。其中，包括衍射分析、电子扫描分析、硬度检测以及压缩试验。
采用D/MAX-2400型X光衍射分析仪对MoCrFeMnNi高熵合金样块进行衍射分析，扫描角度为20～120°，获得如图1所示的XRD图。
结合图1所示可知，采用本发明方法制备的MoCrFeMnNi高熵合金主要由BCC相构成，同时还有FCC相和σ相，从而形成包括面心立方、体心立方以及析出相的复合相结构。此外，从铸态与退火态的XRD图谱对比中可知，BCC相的衍射峰变化不大，但退火态的FCC衍射峰发生变化。当退火温度从800℃到1000℃时面心立方相衍射峰强度减弱且出现了未知衍射峰，因此退火处理对合金的相组成有一定的影响。
采用Quanta450FE型场发射扫描电镜对MoCrFeMnNi高熵合金样块进行扫描分析，获得如图2至图5所示的对应SEM图。
结合图2至图5所示可知，采用本发明方法制备的MoCrFeMnNi高熵合金为典型的树枝晶形貌。其中，灰白色的是枝晶区域，尺寸在30～50μm；黑色的是枝晶间区域，尺寸在10μm左右。合金的组织主要由枝晶区域和枝晶间区域组成，并且随着退火温度的升高，枝晶区域不断变大，枝晶间区域逐渐缩小。
进一步结合图6和图7可以看出，在实施例1中的800℃退火时以及在实施例2中的700℃退火时，在枝晶间区域中析出了尺寸很小的纳米级析出相。而对比图5所示，在对比例2中的1000℃退火时，在合金组织中的枝晶间区域中析出相已经聚集长大，变成了尺寸相对较大的球状和针状的析出相。
采用HBRVU-187.5型布洛维氏光学硬度计对MoCrFeMnNi高熵合金样块进行硬度检测，获得如图8所示的硬度曲线图。其中，载荷设定为294N，加载时间设定为12s，并且分别在试样的上下左右和中心选取5个点进行硬度测试，除去最大值和最小值后，取剩余3个点硬度值的平均值。表1所示为分别对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2进行硬度检测获得的硬度平均值。
表1
结合图8所示可知，本发明中的MoCrFeMnNi高熵合金从铸态到700℃(12h)退火态硬度提升很大，比铸态高出21％；从700℃(12h)退火态到800℃(6h)退火态硬度提升幅度变小，并且在800℃(6h)退火态时硬度达到了最高值667HV；从800℃(6h)退火态到1000℃(3h)退火态硬度反而下降，并且在1000℃(3h)退火态时的硬度值与铸态时的硬度值相近。
MoCrFeMnNi高熵合金的高硬度主要是因为Mo原子半径尺寸大而引起的固溶强化效应。其中，在700℃(12h)和800℃(6h)退火态的硬度增加主要是由于枝晶间区域析出了细小的纳米级析出相，纳米级析出相分布比较均匀，产生了第二相强化效应，使合金的硬度大幅提高，而在1000℃(3h)退火态硬度下降的原因是因为纳米级析出相聚集长大，分布不均匀，在一定程度上降低了合金的硬度。
采用微机控制万能材料试验机对MoCrFeMnNi高熵合金样块进行室温压缩测试，实验压缩速率为0.05mm/min。将得到的数据用Origin软件绘出压缩应力-应变曲线，获得如图9所示的应力-应变曲线图。
结合图9所示可知，本发明中的MoCrFeMnNi高熵合金从铸态到800℃(6h)退火态抗压强度上升，从1036MPa上升到1050MPa，而从800℃(6h)退火态到1000℃(3h)退火态抗压强度下降，从1050MPa下降至974MPa。
综上所示，在本发明获得的MoCrFeMnNi高熵合金中，Mo元素的原子半径尺寸与其他四种元素差异比较大，造成严重的晶格畸变，阻碍了位错的滑移，产生固溶强化效应。固溶强化是MoCrFeMnNi高熵合金强化的主要机制，原子半径尺寸较大的Mo原子溶入合金形成固溶体后，产生晶格畸变的同时也引起了位错的增殖。晶格畸变会引起应变能的增加，形成应力场，应力场与位错周围的弹性应力场相互作用，就会在位错周围产生原子聚集，形成“气团”，“气团”能对位错产生钉扎效应，位错运动时的阻力大大增加，所以最终使获得的MoCrFeMnNi高熵合金硬度得到了很大提升。
同时，获得的MoCrFeMnNi高熵合金在退火处理时还析出了第二相，产生了析出强化现象，并且析出强化产生的强化作用在析出的第二相是尺寸细小、数量较多而且分布均匀的情况下，可以使材料获得比较好的强化效果，弥散分布的析出相也会对位错的运动起到钉扎作用，阻碍位错的运动，从而进一步提高了合金的硬度。

Claims (8)

1.一种MoCrFeMnNi高熵合金，其特征在于，所述MoCrFeMnNi高熵合金由等摩尔比的Mo、Cr、Fe、Mn和Ni元素组成；所述MoCrFeMnNi高熵合金通过铝热反应制备后进行退火处理，其中退火处理的温度为700℃～800℃，退火时间为6h～12h。
2.根据权利要求1所述的MoCrFeMnNi高熵合金，其特征在于，所述MoCrFeMnNi高熵合金的相组成包括面心立方、体心立方以及σ析出相。
3.一种MoCrFeMnNi高熵合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Mo粉末25％～27％、Cr粉末13％～15％、Fe2O3粉末21％～22％、Mn粉末14％～15％、Ni粉末15％～16％、Al粉末7％～8％以及KClO3粉末2％；
步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；
步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；其次向反应釜内充入1MPa～3MPa氩气，保持5min～15min后排出气体；待反应釜内温度加热至110℃～130℃时再次排出反应釜内残余的气体；然后再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至4MPa～6MPa；待反应釜内温度升至160℃～180℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得块状MoCrFeMnNi高熵合金；
步骤S4，对获得的块状MoCrFeMnNi高熵合金进行退火处理并随炉冷却至室温；其中，退火处理的温度为700℃～800℃，退火时间为6h～12h。
4.根据权利要求3所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，反应原料中Mo粉末、Cr粉末、Fe2O3粉末、Mn粉末、Ni粉末和Al粉末的分析纯均为99％以上。
5.根据权利要求4所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，按质量百分比计，反应原料中Mo粉末为25.53％、Cr粉末为13.84％、Fe2O3粉末为21.25％、Mn粉末为14.62％、Ni粉末为15.58％、Al粉末为7.18％以及KClO3粉末为2％。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用30MPa～50MPa的压力对反应原料进行坯体压制。
7.根据权利要求3-5中任意一项所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，铝热反应完成后获得的反应产物外表面包裹有一层Al2O3外壳，敲除Al2O3外壳后获得块状MoCrFeMnNi高熵合金。
8.根据权利要求3-5中任意一项所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，退火处理的温度为800℃，退火时间为6h。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111101045A (zh) * 2020-01-03 2020-05-05 余果润 一种高熵合金材料及其制备方法
CN113215466B (zh) * 2021-03-31 2022-03-18 中国核动力研究设计院 一种AlFeNiCrMo高熵合金、制备方法及其应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103556146A (zh) * 2013-11-06 2014-02-05 四川建筑职业技术学院 制备高熵合金涂层的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100132408A1 (en) * 2008-12-01 2010-06-03 Saint-Gobain Coating Solution Coating for a device for forming glass products
US20170314097A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology High-strength and ultra heat-resistant high entropy alloy (hea) matrix composites and method of preparing the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103556146A (zh) * 2013-11-06 2014-02-05 四川建筑职业技术学院 制备高熵合金涂层的方法

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