CN108754277B - 一种钴铁镍钒锆高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种钴铁镍钒锆高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成按照摩尔比计为CoFeNixVZr0.55，其中Ni的含量按照摩尔比为1.8≤x≤2.6。该高熵合金由FCC固溶体和硬的金属间化合物两相共晶的微观组织组成，最终可以在塑性和强度达到很好的平衡。本发明还公开了一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，对原料进行预处理；步骤2，称取原料；步骤3，将称取的原料放入电弧熔炼炉内；步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。

Description

一种钴铁镍钒锆高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高熵合金及其制备技术领域，涉及一种钴铁镍钒锆高熵合金，本发明还涉及该钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法。
背景技术
近年来，高熵合金由于其优异的性能(高硬度，高强度以及良好的耐高温性能等)受到科学界广泛关注。广义上来说，将五种或者五种以上的元素以等摩尔比或者近等摩尔比的形式加入合金体系，且各元素的含量在5％～35％之间，将这种合金定义为高熵合金。早在2004年，Cantor教授发现了CoCrFeNiMn多组元合金呈现出单一FCC固溶体结构，铸态下该合金为等轴晶组织，由于这五种组元性质相近，凝固过程中不会出现明显成分偏析。此外，由于元素Mn易挥发，去掉Mn后，CoCrFeNi四元合金也呈现出单一FCC固溶体结构，不存在明显的成分偏析，也不存在任何的短程有序结构，且具有与CoCrFeNiMn多组元合金相近的性能，这些优点使得以CoCrFeNi为基的高熵合金成为研究的热点。文献(Wenyi Huo,HuiZhou,Feng Fang,Zonghan Xie,Jianqing Jiang,Microstructure and mechanicalproperties of CoCrFeNiZrx eutectic high-entropy alloys,Materials and Design134(2017)226–233)研究表明CoCrFeNiZr0.50拥有FCC固溶体和Laves相双相微观组织，很好地弥补CoCrFeNi单相合金强度不足的缺点，但延展性变差，这阻碍了其进一步发展和应用。
此外，文献(L.Jiang,Z.Q.Cao,J.C.Jie,J.J.Zhang,Y.P.Lu,T.M.Wang,T.J.Li,Effect of Mo and Ni elements on microstructure evolution andmechanicalproperties of the CoFeNixVMoy high entropy alloys,Journal of Alloys andCompounds 649(2015)585-590)中研究结果表明，CoFeNiV四元合金呈现单一的FCC固溶体结构，压缩测试表明其延伸率高达80％。因此，选择CoFeNiV代替CoCrFeNi单相，形成钴铁镍钒系列合金，将达到塑性和强度的平衡。
发明内容
本发明的目的是制备一种钴铁镍钒锆高熵合金，该高熵合金由FCC固溶体和硬的金属间化合物两相共晶的微观组织组成，最终可以在塑性和强度达到很好的平衡。
本发明提出的一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成按照摩尔比计为CoFeNixVZr0.55，其中Ni的含量按照摩尔比为1.8≤x≤2.6。
本发明的特点还在于，其中优选的Ni含量是1.8、2.0、2.2、2.4和2.6，剩余的Co、Fe、V和Zr的摩尔比为1:1:1:0.55。
本发明的另一技术方案是，一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原料进行预处理，
步骤2，称取原料，
步骤3，将称取的原料放入电弧熔炼炉内，
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
本发明的特点还在于，
所述的步骤1具体为：对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽。
所述的步骤2具体为，按照摩尔比为1:1:1.8～2.6:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属。
所述的步骤3具体为，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至6.0×10-3Pa～4.0×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
本发明的有益效果在于：本发明提供的CoFeNixVZr0.55(1.8≤x≤2.6)高熵合金是一种组织为共晶组织的高熵合金，既具有高熵合金的特点，例如严重的点阵畸变以及鸡尾酒效应等会导致合金性能的提高；也具有共晶合金的特性，该高熵合金由FCC固溶体和硬的金属间化合物两相共晶的微观组织组成，最终可以在塑性和强度达到很好的平衡。
本发明的XRD图谱以实施例1制备的CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金为例。图1为CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金的XRD图，结果表明该合金由FCC相和Ni7Zr2两相组成，其中FCC相为CoFeNiV相(Co:20.92,Fe:24.84,Ni:26.65,V:27.59(at.％))，金属间化合物Ni7Zr2的成分为Ni:48.97,Zr:19.91,Co:14.25,Fe:12.01,V:4.86(at.％)。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金的XRD图；
图2为本发明实施例1制备的CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2制备的CoFeNi2.0VZr0.55高熵合金的扫描电镜图；
图4为本发明实施例3制备的CoFeNi2.2VZr0.55高熵合金的扫描电镜图；
图5为本发明实施例4制备的CoFeNi2.4VZr0.55高熵合金的扫描电镜图；
图6为本发明实施例5制备的CoFeNi2.6VZr0.55高熵合金的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成按照摩尔比计为CoFeNixVZr0.55，其中Ni的含量为1.8≤x≤2.6(摩尔比)，其中优选的Ni含量是1.8、2.0、2.2、2.4和2.6，剩余的Co、Fe、V和Zr的摩尔比为1:1:1:0.55。
本发明的另一技术方案是，一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:1.8～2.6:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将步骤2中称取的金属单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至6.0×10-3Pa～4.0×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤1和步骤2所述的原料混合物，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
实施例1
一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成为CoFeNi1.8VZr0.55，各单质金属含量按照摩尔比计为1:1:1.8:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:1.8:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至4.0×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为450A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为10A，保持9min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为450A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为10A，保持9min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
图2为实施例1制备的CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金的扫描电镜组织图，图2(a)为低倍下的微观组织，图2(b)为图2(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色FCC相和白色Ni7Zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括粗大的共晶层片、细小的共晶层片、网状的共晶以及离异共晶，这说明CoFeNi1.8VZr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金。
实施例2
一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成为CoFeNi2.0VZr0.55，各单质金属含量按照摩尔比计为1:1:2:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至4.5×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为460A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为9.5A，保持8.5min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为460A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为9.5A，保持8.5min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
图3为实施例2制备的CoFeNi2.0VZr0.55高熵合金的扫描电镜组织图，图3(a)为低倍下的微观组织，图3(b)为图3(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色FCC相和白色Ni7Zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括细小的共晶层片、网状的共晶以及离异共晶，这说明CoFeNi2.0VZr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金。
实施例3
一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成为CoFeNi2.2VZr0.55，各单质金属含量按照摩尔比计为1:1:2.2:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:2.2:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至5.0×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为475A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为9A，保持8min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为475A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为9A，保持8min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
图4为实施例3制备的CoFeNi2.2VZr0.55高熵合金的扫描电镜组织图，图4(a)为低倍下的微观组织，图4(b)为图4(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色FCC相和白色Ni7Zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括较粗的共晶层片、细小的共晶层片、网状的共晶以及离异共晶，这说明CoFeNi2.2VZr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金。
实施例4
一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成为CoFeNi2.4VZr0.55，各单质金属含量按照摩尔比计为1:1:2.4:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:2.4:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至5.5×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为490A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8.5A，保持7.5min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为490A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8.5A，保持7.5min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
图5为实施例4制备的CoFeNi2.4VZr0.55高熵合金的扫描电镜组织图，图5(a)为低倍下的微观组织，图5(b)为图5(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色FCC相和白色Ni7Zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括较粗的共晶层片、细小的共晶层片、网状的共晶以及离异共晶，这说明CoFeNi2.4VZr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金。
实施例5
一种钴铁镍钒锆高熵合金，其组成为CoFeNi2.6VZr0.55，各单质金属含量按照摩尔比计为1:1:2.6:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：
步骤1，对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽；
步骤2，按照摩尔比为1:1:2.6:1:0.55的比例称取原料Co、Fe、Ni、V和Zr单质金属；
步骤3，将所述单质放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至6.0×10-3Pa，并冲入高纯氩气。
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8A，保持7min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8A，保持7min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
图6为实施例5制备的CoFeNi2.6VZr0.55高熵合金的扫描电镜组织图，图6(a)为低倍下的微观组织，图6(b)为图6(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色FCC相和白色Ni7Zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括较粗的共晶层片、细小的共晶层片、网状的共晶以及离异共晶，这说明CoFeNi2.6VZr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金。
利用本发明的方法制备的钴铁镍钒锆高熵合金，其组织由FCC相和Ni7Zr2相两相共晶组成，FCC相即CoFeNiV相具有较好的塑性，且具有高熵合金的特点；Ni7Zr2为金属间化合物，具有较高的强度。两相的协调共晶组织在断裂过程中将会阻碍裂纹的扩展，因而该高熵合金具有较好的塑性和强度。

Claims (5)

1.一种钴铁镍钒锆高熵合金，其特征在于，其组成按照摩尔比计为CoFeNixVZr0.55 ，其中Ni的含量按照摩尔比为1.8、2.0、2.2、2.4或2.6，剩余的Co、Fe、V和Zr的摩尔比为1:1:1:0.55。
2.一种权利要求1所述的钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原料进行预处理，
步骤2，称取原料，
步骤3，将称取的原料放入电弧熔炼炉内，
步骤4，熔炼，制备钴铁镍钒锆高熵合金。
3.根据权利要求2所述的一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：对原料Co块、Fe棒和Ni块的表面进行打磨，使其呈现金属光泽。
4.根据权利要求2所述的一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3具体为，将所述称取的原料放入电弧熔炼炉内的水冷铜坩埚内后抽真空至6.0×10-3 Pa～4.0×10-3 Pa，并充 入高纯氩气。
5.根据权利要求2所述的一种钴铁镍钒锆高熵合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤4具体方法为：
步骤4.1，初次熔炼，首先熔炼步骤2所述的原料混合物，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到初次熔炼的合金锭；
步骤4.2，通过机械手将合金锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为450～500A，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为8～10A，保持7～9min后，待金属液冷却成固态，得到合金锭；
步骤4.3，重复步骤4.2三次，最终得到组织成分均匀的钴铁镍钒锆高熵合金的合金锭。
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