CN109763056B - 一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种Fe‑Co‑Ni‑Mn‑Cu高熵合金材料，由Fe、Co、Ni、Mn和Cu按原子比为Fe：Co：Ni：Mn：Cu＝1:1:1:1:X组成，其中X＝0.5、1或1.5。其制备工艺为：称取各金属粉末，混合均匀后放入球磨罐中进行球磨；球磨0.5‑3h后停止球磨并冷却，然后加入松节油和酒精，然后再进行球磨，干燥后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe‑Co‑Ni‑Mn‑‑Cu高熵合金材料。本发明配方中加入了Co，不仅可防止Mn的大量挥发，还增加了强度和抗腐蚀性；加入了Ni和Cu，使得合金色泽洁白，具有强度高、耐蚀性、高硬度、电阻低和热点性等特点，还能降低电阻率温度系数；而且合金在具有面心立方的高强高硬的同时具有较好的塑性,具有更良好的力学性能，从而具有广阔的发展与应用前景。

Description

一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料及其制备工艺。

背景技术

传统的合金均以一种或两种元素为主，通过添加少量的其他元素以达到某些特定的性能要求。中国台湾的叶均蔚教授，提出了全新的合金体系，即多主元高熵合金“多主元高熵合金就是多种元素为主，主要元素五种以上。其中每种主要元素的原子百分比介于5％与35％之间，没有一种组元在原子百分比上会超过进而成为唯一主要元素。该合金在热力学上具有很高的熵值，动力学上具有原子迟缓扩散效应，晶体结构上具有晶格扭曲效应此外多种元素的特性和它们之间的复杂作用使高熵合金呈一种鸡尾酒效应。这些特性是高熵合金相比传统合金更不倾向于形成金属间化合物且更容易形成简单的固溶体结构和纳米结构甚至非晶结构。多主元高熵合金具有较高的强度，良好的耐磨性、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀和高电阻率等优异性能，这是许多传统合金所无法比拟的。

机械合金化，简称是指金属或合金粉末在高能球磨过程中，与磨球之间发生长时间的激烈冲击和碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊和断裂，实现粉末颗粒中原子的扩散，从而在固态下实现合金化的一种粉末制备技术。自世纪年代末问世以来，机械合金化技术从最初应用于制备弥散强化合金材料，到逐步应用于制备非晶、准晶材料，纳米材料等非平衡态材料，金属间化合物等诸多领域表现出十分广阔的发展前景。

运用机械合金化的方法制备高熵合金，可以充分扩展各主元间的固溶度，比铸造条件下更加有利于高熵合金固溶体的形成同时，用合金元素粉末作为原料，可以方便快捷地制备出均匀的纳米晶高熵合金粉末再经过后续的烧结，便可得到晶粒细小、性能优良的高熵合金块体。机械合金化方法的不足之处在于合金粉末在球磨过程中，将不可避免地受到来自磨球介质、球磨罐内气氛和过程控制剂等的污染，引入的杂质还可能在球磨过程中与粉末发生反应而形成新的物相。杂质污染会改变合金的相组成和结构，降低合金的塑性和韧性。因此在球磨过程中必须严格控制和减少对粉末的污染。

真空气氛炉是在真空环境(低于一个大气压的气氛环境)下进行各种热处理工艺的新型热处理技术，该炉常用的有气氛有氮、氢、氧和惰性气体(如氩)等，使用时需要控制好真空度。为更好地控制炉内真空度，同时保证热处理效率，真空气氛炉通常设计为连续可控型。由于连续可控式真空气氛炉在工作过程中可以避免加热、保温、冷却的重复工艺，因此，它在工业热处理领域中具有明显的优势，得到了广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料及其制备工艺，该高熵合金不仅具有高强高硬的特点，而且具有较好的塑形和良好的力学性能。

一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料，由Fe、Co、Ni、Mn和Cu按原子比为Fe：Co：Ni：Mn：Cu＝1:1:1:1:X组成，其中X＝0.5、1或1.5。

一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料的制备工艺，包括以下步骤：

步骤(1)：称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，混合均匀后放入球磨罐中进行球磨；

步骤(2)：待球磨0.5-3h后停止球磨并冷却，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出球磨罐进行干燥。

步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe-Co-Ni-Mn--Cu高熵合金材料。

进一步的，步骤(1)中所述的Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末均为颗粒规格325目的高纯度固态纯原料。

进一步的，步骤(1)中球磨罐的球磨介质为硬质合金球，球料比为15～25:1。。

进一步的，步骤(1)中球磨机的转速为20-200r/min。

进一步的，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数为：

烧结设备：气氛箱式炉

烧结温度1200～1300℃

保温时间：4～5h

烧结压力：10～20Mpa

升温速率：5℃/min。

有益效果：

(1)、本发明配方中加入了Co，非磁性Co的性质很稳定，具有很高的强度和优异的抗腐蚀性，由于Mn具有较高的蒸汽压而Co有相对较高的熔点，可防止Mn的大量挥发；配方中加入了Ni和Cu，由于铜镍之间可以无限固溶，制得的合金色泽洁白，具有强度高、耐蚀性、高硬度、电阻低和热点性等特点，还能降低电阻率温度系数。

(2)本发明在单一固溶体中生成相沉淀,造成沉淀强化,使该合金在具有面心立方的高强高硬的同时具有较好的塑性,具有更良好的力学性能。

(3)本发明提供了的球磨方案，球磨后的粉末尺寸在3～8微米，不会因粉末表面活性过高而自燃。

本发明制作工艺切实可行，制得的Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金具有高强高硬与良好的塑性，耐腐蚀性与力学性能较好，性质稳定，具有广阔的发展与应用前景。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的原始元素的扫描电镜图；

图2为本发明的合金化粉末的扫描电镜图；

图3为本发明的烧结后块体的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

实施例1：Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₅高熵合金的制备工艺，具体操作如下：

步骤(1)：根据Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₅的原子百分比称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，并混合均匀，然后将混合粉末放入球磨罐中，球磨罐的球磨介质为硬质合金球，球料比为20:1，球磨机的转速为40r/min，球磨时间1.5h。

步骤(2)：待球磨结束并冷却后，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出球磨罐进行干燥，其中球磨球的转速为180r/min，球磨时间0.6h，干燥温度为50℃，干燥时间为5h。

步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₅高熵合金，其中真空气氛炉烧结的工艺参数为：

烧结设备：气氛箱式炉

烧结温度：1200℃

保温时间：4h

烧结压力：20Mpa

升温速率：5℃/min

经烧结制得φ20X18致密的合金锭，对该成分的合金的力学性能进行分析。实验结果表明该新型合金在室温下的平均硬度可达414HV。

实施例2

Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₀高熵合金的制备工艺，具体操作如下：

步骤(1)：根据Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₀的原子百分比称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，并混合均匀，然后将混合粉末放入球磨罐中，球磨罐的球磨介质为硬质合金球，球料比为20:1。球磨机的转速为100r/min，球磨时间0.5h。

步骤(2)：待球磨结束并冷却后，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出进行干燥，其中球磨球的转速为60r/min，球磨时间2h，干燥温度为70℃，干燥时间为2h。

步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₀高熵合金，其中真空气氛炉烧结的工艺参数为：

烧结设备：气氛箱式炉

烧结温度：1300℃

保温时间：4h

烧结压力：10Mpa

升温速率：5℃/min

经烧结制得合金锭，对该成分的合金的力学性能进行分析。实验结果表明该新型合金在室温下的平均硬度可达433HV。

实施例3：

Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₅高熵合金的制备工艺，具体操作如下：

步骤(1)：根据Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₅的原子百分比称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，并混合均匀，然后将混合粉末放入球磨罐中，球磨罐的球磨介质为硬质合金球，球料比为20:1。球磨机的转速为60r/min，球磨时间1h。

步骤(2)：待球磨结束并冷却后，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出球磨罐进行干燥，其中球磨球的转速为100r/min，球磨时间1h，干燥温度为60℃，干燥时间为4h。

步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe₁₀Co₁₀Ni₁₀Mn₁₀Cu₁₅高熵合金，其中真空气氛炉烧结的工艺参数为：

烧结设备：气氛箱式炉

烧结温度：1250℃

保温时间：4.5h

烧结压力：16Mpa

升温速率：5℃/min

经烧结制合金锭，对该成分的合金的力学性能进行分析。实验结果表明该新型合金在室温下的平均硬度可达483HV。

图1为本实施案例的原始元素粉末的扫描电镜图，图2为本实施案例的合金化粉末的扫描电镜图，通过图1和图2的对比可以看出，元素粉末的尺寸变得更为细小，并且多种元素混合均匀，图3为本实施案例的烧结后块体的扫描电镜图，烧结后产生了纳米沉淀，

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种Fe-Co-Ni-Mn-Cu高熵合金材料的制备工艺，其特征在于，由Fe、Co、Ni、Mn和Cu按原子比为Fe：Co：Ni：Mn：Cu＝1:1:1:1:X组成，其中X＝0.5或1.5；

其制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，混合均匀后放入球磨罐中进行球磨；

步骤(2)：待球磨0.5-3h后停止球磨并冷却，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出球磨罐进行干燥，

步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe-Co-Ni-Mn--Cu高熵合金材料；

步骤(1)中所述的Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末均为颗粒规格325目的高纯度固态纯原料；球磨罐的球磨介质为硬质合金球，球料比为15～25:1；球磨机的转速为20-200r/min，

步骤(3)中的真空烧结的工艺参数为：

烧结设备：气氛箱式炉

烧结温度1200～1300℃

保温时间：4～5h

烧结压力：10～20Mpa

升温速率：5℃/min。

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