CN109234604A - 一种高强韧高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强韧高熵合金及其制备方法，(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，原料组分按质量分数包括：Ni：26.5％‑28.0％、Cr：15.5‑16.5％、W：13.5‑14.5％、Fe：37.5‑40.0％、Ti：3.0％‑4.0％，上述原料纯度≥99.9％；(2)、将步骤(1)制得的合金粉末干燥脱氧；(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，(4)、设置打印机启动设备进行合金制备；(5)、合金制备完成后，等待2h‑4h后进行取样；本发明采用球形合金粉末和3D打印高熵合金的制备，成功地制备出高强韧高熵合金，对拓展材料的范围具有重要的意义；本发明使用的合金元素价格相对低廉，制备工艺简单，可成形复杂的结构构件，该方法制备合金具有优异的强韧性，能够满足某些特殊场合的使用需求。

Description

一种高强韧高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强韧高熵合金及其制备方法。
背景技术
随着装备性能的不断提升，对合金材料提出了更高的要求。传统的合金材料已不能满足装备的服役要求。在过去几十年中，研究人员在提高合金性能方面付出巨大的努力，包括合金成分调整、细化晶粒、热处理以及合金变形等，但以上方法均难以实现合金材料性能的显著提升。高熵合金是一种新型的合金材料，由于其具有高的混合熵，常常倾向于形成FCC或BCC简单固溶体相，而不形成金属间化合物或者其它复杂有序相。独特的晶体结构使得高熵合金呈现出许多优异性能，例如高强度，高室温韧性，以及优异的耐磨损、耐氧化、耐腐蚀性和热稳定性。因此，高熵合金材料独特的组织特征和性能，不仅在理论研究方面具有重大价值，而且在工业生产方面也有巨大的发展潜力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高强韧高熵合金及其制备方法，该方法制备的合金具有优异的力学性能，达到了高强韧合金的要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种高强韧高熵合金，其原料组分按质量百分数如下：Ni：26.5％-28.0％、Cr：15.5-16.5％、W：13.5-14.5％、Fe：37.5-40.0％、Ti：3.0％-4.0％，上述材料粒度为15-53um，纯度≥99.9％。
一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，合金粉末材料粒度为15-53um；原料组分按质量分数包括：Ni：26.5％-28.0％、Cr：15.5-16.5％、W：13.5-14.5％、Fe：37.5-40.0％、Ti：3.0％-4.0％，上述原料纯度≥99.9％；
(2)、将步骤(1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，真空度为1×10-2Pa，温度为60-80℃，时间为6-8h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；
(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，其中腔体氧含量低于750ppm，成型室压力18-19mbar，工作压力3.9-4.0bar，吹风速度1000-1050r/min；
(4)、设置打印机的功率为250-280W，扫描速度为1500-2500mm/s，扫描间距为60-80um，铺粉量为30um，送粉量为80um；之后启动设备进行合金制备；
(5)、合金制备完成后，等待2h-4h后进行取样。
本发明全新地设计出合金新成分，借助3D打印技术，成功地制备出高强韧高熵合金，对拓展材料的范围具有重要的意义。本发明使用的合金元素价格相对低廉，制备工艺简单，可成形复杂的结构构件，其核心为采用球形合金粉末和3D打印高熵合金的制备，该方法制备合金具有优异的强韧性，能够满足某些特殊场合的使用需求。
本发明还具有以下优点：
(1)所选用的合金化元素价格低廉，没有一些较贵的元素，譬如钴、金、锆、铌等。
(2)球形合金粉末是原料粉末混合制备成合金后再次磨成粉末，此合金粉末不同于任何一种现存合金粉末，与现有的直接混合的合金粉末有实质区别，与传统铸造相比，3D打印冷速极快，在金属凝固过程中，合金成分扩散较慢，采用合金粉末可避免合金元素的不充分扩散。
(3)借助增材制造技术，实现了常规方法无法替代的制备合金的新方法，特别是该方法更易于复杂结构构件的成型，可以某些特殊场所的需求。
附图说明
图1为实施例1高熵合金组织。
图2为实施例1高熵合金的应力应变曲线。
图3为实施例2高熵合金的应力应变曲线。
图4为实施例3高熵合金的应力应变曲线。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明做详细说明，所述是对本发明的解释，而非限制。
实施例一
本实施例的一种高强韧高熵合金，其原料组分按质量百分数如下：Ni：27.5％、Cr：16.5％、W：14.5％、Fe：37.5％、Ti：4.0％，上述材料粒度为15-53um，纯度≥99.9％。
本实施例的一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，合金粉末材料粒度为15-53um；原料组分按质量分数包括：Ni：27.5％、Cr：16.5％、W：14.5％、Fe：37.5％、Ti：4.0％，上述原料纯度≥99.9％；
(2)、将步骤(1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，真空度为1×10-2Pa，温度为60℃，时间为7h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；
(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，其中腔体氧含量低于750ppm，成型室压力18-19mbar，工作压力3.9-4.0bar，吹风速度1000-1050r/min；
(4)、设置打印机的功率为250W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为80um，铺粉量为30um，送粉量为80um；之后启动设备进行合金制备；
(5)、合金制备完成后，等待2h后进行取样。
本实施例所得合金见图1，图1为高熵合金组织，晶粒相对均匀，说明通过本实施例可以制备出稳定的合金。参照图2，该合金抗拉强度超过900MPa，延伸率高于12.5％，说明该合金具有优异的强韧性。
实施例二
本实施例的一种高强韧高熵合金，其原料组分按质量百分数如下：Ni：28.0％、Cr：15.5％、W：13.5％、Fe：40.0％、Ti：3.0％，上述材料粒度为15-53um，纯度≥99.9％。
本实施例的一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，合金粉末材料粒度为15-53um；原料组分按质量分数包括：Ni：28.0％、Cr：15.5％、W：13.5％、Fe：40.0％、Ti：3.0％，上述原料纯度≥99.9％；
(2)、将步骤(1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，真空度为1×10-2Pa，温度为80℃，时间为8h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；
(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，其中腔体氧含量低于750ppm，成型室压力18-19mbar，工作压力3.9-4.0bar，吹风速度1000-1050r/min；
(4)、设置打印机的功率为270W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为65um，铺粉量为30um，送粉量为80um；之后启动设备进行合金制备；
(5)、合金制备完成后，等待3h后进行取样。
本实施例所得合金应力应变曲线参照图2，合金抗拉强度超过900MPa，延伸率高于13％，说明通过本实施例可进一步提高合金的韧性。
实施例三
本实施例的一种高强韧高熵合金，其原料组分按质量百分数如下：Ni：26.5％、Cr：16.3％、W：14.3％、Fe：39.4％、Ti：3.5％，上述材料粒度为15-53um，纯度≥99.9％。
本实施例的一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，合金粉末材料粒度为15-53um；原料组分按质量分数包括：Ni：26.5％、Cr：16.3％、W：14.3％、Fe：39.4％、Ti：3.5％，上述原料纯度≥99.9％；
(2)、将步骤(1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，真空度为1×10-2Pa，温度为70℃，时间为6h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；
(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，其中腔体氧含量低于750ppm，成型室压力18-19mbar，工作压力3.9-4.0bar，吹风速度1000-1050r/min；
(4)、设置打印机的功率为280W，扫描速度为2500mm/s，扫描间距为75um，铺粉量为30um，送粉量为80um；之后启动设备进行合金制备；
(5)、合金制备完成后，等待4h后进行取样。
本实施例所得合金应力应变曲线参照图3，合金抗拉强度超过900MPa，延伸率高于13.2％，说明通过本实施例可进一步提高合金的韧性。
本发明制备的高强韧的高熵合金，其关键在于选择合适的合金化元素种类和相对含量，制备方法的核心在于将高熵合金与3D打印新技术相结合，通过3D打印实现镍元素、铬元素、钨元素、铁元素和钛元素的固溶。在快速凝固条件下，实现原位反应强化相的生成。从而获得高强韧的高熵合金块材。
以上所述的内容仅为本发明优选实施的结果，应当指出，对于本领域的人员来讲，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高强韧高熵合金，其特征在于，其原料组分按质量百分数如下：Ni：26.5％-28.0％、Cr：15.5-16.5％、W：13.5-14.5％、Fe：37.5-40.0％、Ti：3.0％-4.0％，上述材料粒度为15-53um，纯度≥99.9％。
2.一种高强韧高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将原料混合并制备成球形合金粉末，合金粉末材料粒度为15-53um；原料组分按质量分数包括：Ni：26.5％-28.0％、Cr：15.5-16.5％、W：13.5-14.5％、Fe：37.5-40.0％、Ti：3.0％-4.0％，上述原料纯度≥99.9％；
(2)、将步骤(1)制得的合金粉末置于干燥箱进行干燥脱氧，真空度为1×10-2Pa，温度为60-80℃，时间为6-8h，之后自然冷却至室温，真空封装保存；
(3)、将步骤(2)制得的合金粉末置于3D打印机粉缸内，其中腔体氧含量低于750ppm，成型室压力18-19mbar，工作压力3.9-4.0bar，吹风速度1000-1050r/min；
(4)、设置打印机的功率为250-280W，扫描速度为1500-2500mm/s，扫描间距为60-80um，铺粉量为30um，送粉量为80um；之后启动设备进行合金制备；
(5)、合金制备完成后，等待2h-4h后进行取样。
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