CN108642363A - 一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法，该合金由主要元素Ni、Co、Fe、Cr、Al及微量元素X组成，合金组分为Ni_aCo_bFe_cCr_dAl_eX_f，a、b、c、d、e、f分别代表对应元素的摩尔百分比，58≤a+b≤62，a≥b，18≤c+d≤22，c≥d，17≤e≤19，f≤5.3。微量元素X包括以下元素：W、Nb、Mo、B、C。该共晶高熵合金的制备方法是：首先将Ni、Co、Fe、Cr、Al、X合金元素去氧化皮和清洗，按一定摩尔比称量并混合，进行母合金熔炼，最后吸铸得到共晶高熵合金。本发明的合金将面心立方相与体心立方相结合，具有高强度和高塑性，且Al、Cr、W等元素有利于合金抗氧化、抗腐蚀、高温稳定性提高，合金的综合性能十分优异。

Description

一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备技术领域，具体为一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是由多种主要元素组成的一类新型金属材料，具有高混合熵与严重晶格畸变等特点。高熵合金表现出高强度、高硬度、高抗辐照性等一系列优异的性能，成为未来潜在的结构材料，在航空航天等极端条件下具有广泛的应用前景。然而目前研究的高熵合金主要表现为单相固溶体结构，其中面心立方高熵合金具有极好的塑性但强度较差，体心立方高熵合金强度很好但塑性远不能满足工程应用要求。因此，如何将高强度与高塑性结合成为了高熵合金设计所面临的主要问题。

同时，传统高熵合金由于自身组元数多且浓度高而具有缓慢扩散的特点，在制备过程中经常出现元素偏析现象，具有组织不均匀的缺点；并且现有高熵合金一般流动性不好，导致其铸造成型性能较差。这些制备工艺上的问题严重制约了高熵合金的工程应用与发展。

发明内容

本发明的目的是，针对现有高熵合金存在的无法同时具有高强度与高塑性以及易偏析、流动性差等缺点，提供一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法，该共晶高熵合金由面心立方相和体心立方相组成，其中面心立方相提供塑性，体心立方相提供强度，使合金在达到高强度的同时保持良好的塑形。此外，在合金设计过程中充分利用Al、Cr、W等元素对合金抗氧化、抗腐蚀、高温稳定性的积极影响，使合金的综合性能十分优异。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高强高塑共晶高熵合金，所述共晶高熵合金由主要元素Ni、Co、Fe、Cr、Al以及微量元素X组成，所述共晶高熵合金的主要组分为Ni_aCo_bFe_cCr_dAl_eX_f，其中a、b、c、d、e、f分别代表对应各元素的摩尔百分比，58≤a+b≤62，a≥b，18≤c+d≤22，c≥d，17≤e≤19，f≤5.3。

优选的，微量元素X包括以下成分：W、Nb、Mo、B、C组成，且微量元素各成分的摩尔百分比为：W≤3.0，Nb≤3.0，Mo≤3.0，W+Nb+Mo≤5.0，B≤0.1，C≤0.2。

一种本发明所述的高强高塑共晶高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、超声清洗：将Ni、Co、Fe、Cr、Al、X合金原料使用机械研磨方法去除元素表面的氧化皮，然后置于不同容器中并加入酒精溶液，超声清洗，取出后吹干酒精得到超声处理后的六种原料；

S2、配料：根据共晶高熵合金的摩尔百分比精确称量S1得到的Ni、Co、Fe、Cr、Al金属原料以及X原料并混合；

S3：母合金熔炼：将S2混合好的原料放入真空非自耗电弧炉的坩埚中，关闭炉门，抽真空至1×10^-3Pa然后反冲高纯氩气至0.04～0.06Mpa；起弧后，首先对钛锭进行熔炼以吸收炉内残留的氧气，然后对S2中混合好的原料进行熔炼，同时开启电磁搅拌，所述熔炼电流为150～250A，搅拌电流为0.5～1.5A，熔炼时间为1～3min；待样品熔炼完成并彻底冷却后，将其翻面，反复熔炼4次以确保合金锭成分的均匀性，熔炼完成后得到合金锭；

S4、吸铸：将S3得到的合金锭放置于水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚下方放置有长方形铜模，然后对合金锭进行熔炼，待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸，冷却后去除铜模得到长方形吸铸合金锭，即为共晶高熵合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的共晶高熵合金将韧性的面心立方相与高强的体心立方相相结合，实现了高熵合金高强度与高塑性的结合，本发明的合金在保持塑性延伸率为22.97％的同时断裂强度可达1222.85MPa，性能十分优异。

2、相较于析出强化型高熵合金，本发明的共晶高熵合金在凝固过程中结晶范围窄，不易发生元素偏析，其流动性和铸造性能较好，易于加工成型，解决了高熵合金的制备问题。

3、本发明的共晶高熵合金中Al元素能够提升合金的抗氧化性能，Cr元素能够提升合金的耐腐蚀性能，W元素等微量元素的加入可以提升合金的高温稳定性，本发明的合金的综合性能十分优异，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例1～4中共晶高熵合金的激光共聚焦微观组织图片；

图2为实施例1～4中共晶高熵合金的XRD物相分析图片；

图3为实施例1中共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线；

图4为实施例1中共晶高熵合金在1100℃保温不同时间的微观组织演化图片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种高强高塑共晶高熵合金，由主要元素Ni、Co、Fe、Cr、Al以及微量元素X组成，该共晶高熵合金的主要组分为Ni_aCo_bFe_cCr_dAl_eX_f，其中a、b、c、d、e、f分别代表对应各元素的摩尔百分比，58≤a+b≤62，a≥b，18≤c+d≤22，c≥d，17≤e≤19，f≤5.3。其中微量元素包括以下成分：W、Nb、Mo、B、C。

实施例1

一种高强高塑共晶高熵合金，该高熵合金的化学式为Ni₃₀Co₃₀Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈W₂，简记为Ni₃₀；其中，各元素的比例为摩尔百分比。

一种Ni₃₀Co₃₀Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈W₂共晶高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、超声清洗：将Ni、Co、Fe、Cr、Al、W合金原料使用机械研磨方法去除元素表面的氧化皮，然后置于不同容器中并加入酒精溶液，超声清洗，取出后吹干酒精得到超声处理后的六种原料；

S2、配料：根据共晶高熵合金的摩尔百分比分别称量S1得到的12.89g的Ni、12.95g的Co、4.10g的Fe、3.81g的Cr、3.56g的Al以及2.69g的W金属原料并混合；

S3：母合金熔炼：将S2混合好的原料放入真空非自耗电弧炉的坩埚中，关闭炉门，抽真空至1×10^-3Pa然后反冲高纯氩气至0.06Mpa；起弧后，首先对钛锭进行熔炼以吸收炉内残留的氧气，然后对S2中混合好的原料进行熔炼，同时开启电磁搅拌，所述熔炼电流为200A，搅拌电流为1A，熔炼时间为2min；待样品熔炼完成并彻底冷却后，将其翻面，反复熔炼4次以确保合金锭成分的均匀性，熔炼完成后得到合金锭；

S4、吸铸：将S3得到的合金锭放置于水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚下方放置有长方形铜模，然后对合金锭进行熔炼，待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸，冷却后去除铜模得到长方形吸铸合金锭，即为共晶高熵合金Ni₃₀Co₃₀Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈W₂。

实施例2

一种高强高塑共晶高熵合金，该高熵合金的化学式为Ni₃₆Co₂₄Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈W₂，简记为Ni₃₆；其中，各元素的比例为摩尔百分比。

该共晶高熵合金Ni₃₆的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同的是S2中称取的是15.48g的Ni、10.36g的Co、4.10g的Fe、3.81g的Cr、3.56g的Al以及2.69g的W金属原料。

实施例3

一种高强高塑共晶高熵合金，该高熵合金的化学式为Ni₄₀Co₂₀Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈W₂，简记为Ni₄₀；其中，各元素的比例为摩尔百分比。

该共晶高熵合金Ni₄₀的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同的是S2中称取的是17.20g的Ni、8.63g的Co、4.10g的Fe、3.81g的Cr、3.56g的Al以及2.69g的W金属原料。

实施例4

一种高强高塑共晶高熵合金，该高熵合金的化学式为Ni₃₀Co₃₀Fe₂₀Al₁₈W₂，简记为Fe₂₀；其中，各元素的比例为摩尔百分比。

该共晶高熵合金Ni₄₀的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同的是S2中称取的是12.80g的Ni、12.85g的Co、8.14g的Fe、3.53g的Al以及2.67g的W金属原料。

对比例

一种高强高塑共晶高熵合金，该高熵合金的化学式为Ni₃₂Co₃₀Fe₁₀Cr₁₀Al₁₈，简记为Ni₃₂；其中，各元素的比例为摩尔百分比。

该共晶高熵合金Ni32的制备方法与实施例1相同，不同的是S2中称取的是14.43g的Ni、13.58g的Co、4.30g的Fe、3.99g的Cr、3.73g的Al金属原料。

我们对实施例1～实施例4中制备的共晶高熵合金进行了激光共焦显微镜测试和X射线衍射测试，图1为实施例1～实施例4的样品的激光共焦微观组织图片，图2为实施例1～实施例4的X射线衍射图谱，结合图1和图2可知，实施例1～实施例4中的样品均具有层片状和非规则形状两部分组成的共晶形态，说明样品由两相组成，两相分别为面心立方相和体心立方相。

然后以实施例1的样品为例，进行了应力应变测试以及高温条件下的激光共焦显微镜测试。图3为实施例1中共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线，从图中可以看出，样品的抗拉强度为1222.85MPa，塑性延伸率为22.97％，该样品的综合性能要优于目前已知的共晶高熵合金，实现了高熵合金中强度和塑性的结合。

图4为实施例1中共晶高熵合金在1100℃保温不同时间的微观组织演化图片，从图中可以看到，经过100h热处理后，合金微观组织无明显变化；200h后，非规则共晶区域开始球化；300h后，层片共晶区域才开始断裂，说明该合金在1100℃温度下具有极好的高温稳定性。

最后我们对实施例1和对比例的样品进行了硬度测试，表1为个样品的硬度数据表，从表1可以看出，加入微量元素的实施例1中的样品硬度高于未加入微量元素的对比例样品，说明微量元素的加入对样品的性能具有一定的积极作用。

表1实施例1与对比例样品的硬度数据表

样品	硬度/HV
		Ni30	317.3
Ni32	290.9

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高强高塑共晶高熵合金，其特征在于，共晶高熵合金由主要元素Ni、Co、Fe、Cr、Al以及微量元素X组成，所述共晶高熵合金的主要组分为Ni_aCo_bFe_cCr_dAl_eX_f，其中a、b、c、d、e、f分别代表对应各元素的摩尔百分比，58≤a+b≤62，a≥b，18≤c+d≤22，c≥d，17≤e≤19，f≤5.3。

2.权利要求1所述的一种高强高塑共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述微量元素X包括以下成分：W、Nb、Mo、B、C，且微量元素各成分的摩尔百分比为：W≤3.0，Nb≤3.0，Mo≤3.0，W+Nb+Mo≤5.0，B≤0.1，C≤0.2。

3.权利要求1所述的一种高强高塑共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、超声清洗：将Ni、Co、Fe、Cr、Al金属原料以及X原料使用机械研磨方法去除元素表面的氧化皮，然后置于不同容器中并加入酒精溶液，超声清洗，取出后吹干酒精得到超声处理后的六种原料；

S2、配料：根据共晶高熵合金的摩尔百分比精确称量S1得到的Ni、Co、Fe、Cr、Al以及X金属原料并混合；

S3：母合金熔炼：将S2混合好的原料放入真空非自耗电弧炉的坩埚中，关闭炉门，抽真空至1×10^-3Pa，然后反冲高纯氩气至0.04～0.06Mpa；起弧后，首先对钛锭进行熔炼以吸收炉内残留的氧气，然后对S2中混合好的原料进行熔炼，同时开启电磁搅拌，所述熔炼电流为150～250A，搅拌电流为0.5～1.5A，熔炼时间为1～3min；待样品熔炼完成并彻底冷却后，将其翻面，反复熔炼4次以确保合金锭成分的均匀性，熔炼完成后得到合金锭；

S4、吸铸：将S3得到的合金锭放置于水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚下方放置有长方形铜模，然后对合金锭进行熔炼，待合金锭全部为液体且流动性较好时进行吸铸，冷却后去除铜模得到长方形吸铸合金锭，即为共晶高熵合金。