CN108149118A - 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108149118A
CN108149118A CN201711174536.5A CN201711174536A CN108149118A CN 108149118 A CN108149118 A CN 108149118A CN 201711174536 A CN201711174536 A CN 201711174536A CN 108149118 A CN108149118 A CN 108149118A
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
ticrfenimn
reaction
entropy
entropy alloys
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711174536.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108149118B (zh
Inventor
喇培清
肖海波
杨理洁
魏玉鹏
魏孔振
王乾龙
郭鑫
马应霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou University of Technology
Original Assignee
Lanzhou University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou University of Technology filed Critical Lanzhou University of Technology
Priority to CN201711174536.5A priority Critical patent/CN108149118B/zh
Publication of CN108149118A publication Critical patent/CN108149118A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108149118B publication Critical patent/CN108149118B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn高熵合金。该TiCrFeNiMn高熵合金由等摩尔比的Ti、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TiCrFeNiMn高熵合金。采用本发明的方法获得的TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn高熵合金。该TiCrFeNiMn高熵合金由等摩尔比的Ti、Cr、Fe、Mn和Ni元素组成，并且其相组成包括面心立方、体心立方以及析出相。
该TiCrFeNiMn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Ti粉末14％～16％、Cr粉末15％～17％、Fe2O3粉末24％～25％、Mn粉末16％～18％、Ni粉末17％～19％、Al粉末8％～9％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，获得圆饼状胚体；
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TiCrFeNiMn高熵合金。
优选的，在所述步骤S1中，反应原料中Ti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Ti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30～50MPa的压力对反应原料进行胚体压制。
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由一层Al2O3外壳，敲除Al2O3外壳后获得块状TiCrFeNiMn高熵合金。
优选的，还包括步骤S4，对所述步骤S3中获得的块状TiCrFeNiMn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℃～1000℃，退火时间为3h～12h。
进一步优选的，在所述步骤S4中，退火处理的温度为700℃，退火时间为12h。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出了一种全新的TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn高熵合金进行合适的退火处理，从而进一步提高TiCrFeNiMn高熵合金的硬度。
附图说明
图1为对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4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为实施例3中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图5为实施例4中获得MoCrFeMnNi高熵合金的SEM图；
图6为对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4进行硬度检测获得的硬度值曲线图。
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Ti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，Ti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150℃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，形成液态的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TiCrFeNiMn高熵合金。
步骤S4，对获得的TiCrFeNiMn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℃，退火时间为12h。
实施例2，采用与实施例1相同的方法进行TiCrFeNiMn高熵合金的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，退火温度为800℃，退火时间为6h。
实施例3，采用与实施例1相同的方法进行TiCrFeNiMn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。
实施例4，采用与实施例1相同的方法进行TiCrFeNiMn高熵合金的制备，其区别仅在于，对获得的TiCrFeNiMn高熵合金不进行退火处理保持铸态。
接下来，分别对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中获得的TiCrFeNiMn高熵合金进行衍射分析、电子扫描分析和硬度检测。
采用D/MAX-2400型X光衍射分析仪对TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn高熵合金的相组成比较复杂包括BCC相、FCC相、σ相以及laves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。同时，经过退火处理后会发生相变，并且不同退火温度相变形式也不同。其中，TiCrFeMnNi高熵合金在800℃退火时和700℃退火时的XRD衍射图相差不大，相组成和相含量变化也不大。但是，当TiCrFeMnNi高熵合金在1000℃退火时相组成发生了很大变化，σ相和laves相的衍射强度明显减小，体积分数大幅下降，BCC相的体积的衍射强度增强，体积分数上升。同时，在1000℃时原子扩散速率和效率更高，处于高能态的σ相和laves相发生溶解，原子向BCC相扩散，BCC相的晶粒长大，在有些晶界处重新形成晶核并长大。
当TiCrFeNiMn高熵合金从铸态到退火态，由于Ti原子的大尺寸效应，造成严重的晶格畸变，长时间的高温发生了固溶强化效应，晶格畸变程度进一步加强，使得退火后衍射峰向左移动。因此，退火处理对TiCrFeNiMn高熵合金的相组成产生影响。
采用Quanta450FE型场发射扫描电镜对TiCrFeNiMn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TiCrFeNiMn高熵合金，在铸态时是枝晶形貌，由灰色的枝晶基体和白色的枝晶间区域组成，枝晶间区域布满了条状的析出相。在700℃退火态时枝晶基体开始向枝晶间区域延伸，枝晶间区域中的析出相得到了溶解，变成了大部分点状状和少部分条状，分布也变得相对铸态来说比较稀疏。在经过800℃退火处理后析出相大幅变少，条状和点状的析出相零星分布在枝晶间区域中。在1000℃退火时，枝晶间区域的点状和条状析出相完全溶解，合金的组织变成灰色的枝晶区域和灰白色的枝晶间区域，其中灰白色枝晶间区域是析出相溶解后形成的。
采用HBRVU-187.5型布洛维氏光学硬度计对TiCrFeNiMn高熵合金样块进行硬度检测，获得如图6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、实施例3和实施例4进行硬度检测获得的硬度平均值。
表1
结合表1和图6所示可知，采用本发明获得的TiCrFeNiMn高熵合金的硬度值在700℃(8h)退火态下达到最大值，硬度值为810HV。铸态时TiCrFeMnNi高熵合金的硬度值最低，为615HV。TiCrFeMnNi高熵合金铸态到700℃(8h)退火态硬度上升，从700℃(8h)退火态到800℃(4h)硬度下降，800℃(4h)到1000℃(2h)退火态硬度有小幅上升。退火后与铸态相比合金的硬度有很大提升。
综上所示，在本发明获得的TiCrFeMnNi高熵合金中，Ti元素的原子半径尺寸与其他四种元素差异比较大，导致合金中晶格畸变比较严重，合金内部产生很多应力场，引起固溶强化效应，应力场会与位错产生交互作用，使得位错的运动变得很困难。另外，在TiCrFeMnNi高熵合金中还有析出相的产生，对位错产生塞积和缠结，进一步阻碍了位错的运动，使得TiCrFeMnNi高熵合金具有很高的硬度。
同时，与铸态、800℃退火以及1000℃退火相比较，获得的TiCrFeMnNi高熵合金在700℃退火后发生了时效硬化效应，其中枝晶间区域的析出物变小且分布均匀，阻碍了位错的运动，形成了第二相强化效应，使TiCrFeMnNi高熵合金的硬度进一步明显提升。

Claims (9)

1.一种TiCrFeNiMn高熵合金，其特征在于，所述TiCrFeNiMn高熵合金由等摩尔比的Ti、Cr、Fe、Mn和Ni元素组成。
2.根据权利要求1所述的TiCrFeNiMn高熵合金，其特征在于，所述TiCrFeNiMn高熵合金的相组成包括面心立方、体心立方以及析出相。
3.一种TiCrFeNiMn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Ti粉末14％～16％、Cr粉末15％～17％、Fe2O3粉末24％～25％、Mn粉末16％～18％、Ni粉末17％～19％、Al粉末8％～9％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，获得圆饼状胚体；
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TiCrFeNiMn高熵合金。
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Ti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Ti粉末为14.65％、Cr粉末为15.91％、Fe2O3粉末为24.44％、Mn粉末为16.81％、Ni粉末为17.96％、Al粉末为8.24％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胚体压制。
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TiCrFeNiMn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，还包括步骤S4，对所述步骤S3中获得的块状TiCrFeNiMn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℃～1000℃，退火时间为3h～12h。
9.根据权利要求8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700℃，退火时间为12h。
CN201711174536.5A 2017-11-22 2017-11-22 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法 Active CN108149118B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711174536.5A CN108149118B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711174536.5A CN108149118B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108149118A true CN108149118A (zh) 2018-06-12
CN108149118B CN108149118B (zh) 2019-08-09

Family

ID=62468967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711174536.5A Active CN108149118B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108149118B (zh)

Cited By (2)

* 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
CN114855047A (zh) * 2022-04-08 2022-08-05 大连理工大学 一种Laves相可控的CrxMoNbWTi难熔高熵合金及其制备方法

Citations (3)

* 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
CN105296836A (zh) * 2015-11-17 2016-02-03 北京科技大学 一种具有形状记忆效应的NxMy高熵合金及其制备方法
CN107338385A (zh) * 2017-06-27 2017-11-10 北京科技大学 一种体心立方结构为主的储氢高熵合金及其制备方法

Patent Citations (3)

* 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
CN105296836A (zh) * 2015-11-17 2016-02-03 北京科技大学 一种具有形状记忆效应的NxMy高熵合金及其制备方法
CN107338385A (zh) * 2017-06-27 2017-11-10 北京科技大学 一种体心立方结构为主的储氢高熵合金及其制备方法

Cited By (3)

* 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
CN114855047A (zh) * 2022-04-08 2022-08-05 大连理工大学 一种Laves相可控的CrxMoNbWTi难熔高熵合金及其制备方法
CN114855047B (zh) * 2022-04-08 2022-11-18 大连理工大学 一种Laves相可控的CrxMoNbWTi难熔高熵合金及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108149118B (zh) 2019-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100417943B1 (ko) 티탄 합금 및 이의 제조방법
CN102776430B (zh) AlCoCrFeNiTix高熵合金材料及其制备方法
CN108517451B (zh) 一种具有梯度晶粒结构的高强韧性高熵合金与制备方法
CN108642399A (zh) 一种有基高熵合金及其制备方法
CN113025865A (zh) 一种AlCoCrFeNi系双相组织高熵合金制备方法
CN109594002B (zh) 一种多主元中熵合金及其制备方法
CN113122763B (zh) 一种高强韧性高熵合金制备方法
CN108145156A (zh) 一种高性能tzm钼合金棒材的制备方法
CN112981208A (zh) 一种轻质难熔耐高温共晶高熵合金及其制备方法
JPS5887244A (ja) 銅基スピノ−ダル合金条とその製造方法
CN111850375B (zh) 一种纳米析出强化型高强高塑性多元合金及其制备方法
CN112899546A (zh) 一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法
CN108149118B (zh) 一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法
JP2024504210A (ja) 高エントロピーのオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法
JP2021507088A (ja) 添加剤技術用のアルミニウム合金
CN115233042A (zh) 一种耐高温氧化的钴基Co-Fe-Ni-Al共晶中熵合金及其制备方法和应用
WO1998010111A1 (fr) Materiau de coulage pour coulage thixotropique, procede de preparation d'un materiau de coulage partiellement solidifie pour coulage thixotropique, procede de coulage thixotropique, coulee a base de fer et procede de traitement thermique de coulee a base de fer
CN112877570A (zh) 一种钴铬镍多元铸造合金及其制备方法
JP2022020892A (ja) 低Ｃｏ水素吸蔵合金粉末
US2964397A (en) Copper-boron alloys
CN108149117B (zh) 一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法
CN112251659B (zh) 一种AlCrFe2Ni2C0.24高熵合金及其制备方法
CN113430405A (zh) 一种高强韧性的面心立方高熵合金及其制备方法
CN106834810B (zh) 一种钴钒铝高温形状记忆合金及其制备方法
CN108950255B (zh) 五元FeCoNiMoSi系高熵合金及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant