CN109913736B - 一种提高高熵合金塑性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高高熵合金塑性的方法，具体涉及到通过Al合金化双相Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金。通过加入0‑5％含量Al，塑性得到极大的提升。尤其是当Al含量为2％时，其拉伸塑性从22％增长到83％，提高了2.77倍。特别的，Al含量为1％时，在不损失抗拉强度的情况下，拉伸塑性从22％增长到71％，塑性提高了2.28倍。另外，丰富了高熵合金体系，对相形成规律的经验的总结和判断也具有一定的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料领域，特别的，涉及一种提高双相高熵合金塑性的方法。
背景技术
高熵合金是由台湾学者叶均蔚于1995年首先提出的。高熵合金通常包含5及5种元素以上，且每种元素含量不低于5％，不高于35％，以此实现高的混合熵，实现制备稳定固溶体的目的。高熵合金区别于传统的以一种元素为主要主元的合金材料。由于掺入元素的种类增多，极大的拓展了合金设计的成分空间，且元素比例近乎相等，合金成分在相图中的位置也从边角向中心靠拢。高熵合金具有四大基本效应：热力学上的高熵效应，动力学上的阻滞扩散效应，结构上的晶格畸变效应，性能上的鸡尾酒效应。具有很好的机械性能，如：高硬度与强度，良好的高温抗性，优异的耐磨损耐腐蚀性能等。Cantor制备的5元等比例的FeMnCoCrNi合金呈单一的FCC固溶体结构，此合金也被称为Cantor合金。经过十多年的发展，学者对高熵合金的认识也产生了一定的变化。近乎等比例的定义限制了高熵合金发展的空间，目前高熵合金也不局限于5种以上，4种元素非等比例也被称为高熵合金，甚至还出现了中熵合金。李志明等人通过调控合金成分，制备的双相高熵合金Fe50Mn30Co10Cr10，相比于Cantor合金，具有更优异的力学性能。
非等比例的双相及多相高熵合金是研究的重点。双相高熵合金虽然比单相高熵合金具有更好的强度和塑性，但吸铸得到的高熵合金其塑性只有22％，仍有很大的提高空间。通过后续冷热加工退火等可进一步提高合金材料的塑性，但增多了工序和成本。
合金化是调控材料性能的常见手段，在传统合金材料中，微量的合金元素会对材料的性能产生巨大的影响。
发明内容
本发明的目的在于：在不损失高熵合金强度的情况下，提供一种提高高熵合金塑性的方法。通过引入一定含量的Al，改变合金中FCC、HCP及BCC相的含量，提高其拉伸塑性。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种提高高熵合金塑性的方法，包括以下步骤：
(1)去除氧化皮，按照原子百分含量称取原料，各元素其纯度在99.9％以上；将原子百分含量0—5％Al加入到高熵合金基体中，高熵合金基体元素原子比例为：Fe:Mn:Co:Cr为50:30:10:10，高熵基体合金的表达式为Fe50Mn30Co10Cr10，高熵合金的表达式为：Alx(Fe0.5Mn0.3Co0.1Cr0.1)100-x；
(2)将原料置入丙酮中超声清洗10--15min，去除表面的油污和杂质；
(3)将原料置入真空电弧炉内的水冷铜模熔炼池中，对于Mn元素，在放置时使其处于工位的底端，关闭炉门，拧紧旋钮；
(4)对真空熔炼电弧炉抽真空至5×10-3pa以下，再向真空电弧熔炼炉内充入氩气，至真空电弧熔炼炉内的压力为0.05-0.06MPa，重复上述步骤2次，以进一步降低炉腔内氧气气体含量；
(5)熔炼原料之前，反复熔炼Ti块4-6次，进一步吸收腔内残余的氧气；
(6)反复熔炼原料4次以上，并用机械手翻转原料，开启磁搅拌，使原料均匀混合，将混合均匀的原料置于吸铸工位上，电弧加热，观察原料至熔融状态流动性良好，将原料吸铸到水冷Cu模中。
向原料中多称取5％-8％的Mn。
此基础上，选择Al作为合金元素合金化，进一步调整其相含量来调控其性能。这是因为Al具有较大的原子半径，固溶进去后引起较大的晶格畸变，更易引起新相的形成和性能的改变。
特别的，加入的Al含量在0—5％。通过此方法可有效改变合金中的相含量进而提高其塑性。拓宽了提高材料塑性的空间，方法简单经济，安全可靠，可行性高。
附图说明
图1为Al含量分别为0、1％时的高熵合金试样衍射分析的XRD图谱；
图2为Al含量分别为0、2％时的高熵合金衍射分析XRD图谱；
图3为Al含量为分别0、1％时的拉伸性能测试对比图；
图4为Al含量分别为0、2％时的拉伸性能测试对比图；
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
一种高熵合金，该高熵合金的元素成分为非等原子比的Fe，Mn，Co，Cr，Al元素。
上述的高熵合金，优选的，高熵合金基体元素比例为：Fe元素原子百分含量为50％，Mn元素原子百分含量为30％，Co元素原子百分含量为10％，Cr元素原子百分含量为10％。Al元素掺入量为0-5％，即合金的表达式为：Alx(Fe0.5Mn0.3Co0.1Cr0.1)100-x。
特别的，相比于5元单相FCC等比例的Cantor合金，基体合金为双相的FCC+HCP结构，相比于单相的高熵合金，同时具有较高的强度和塑性。这是由于，HCP相由于其滑移系少，具有较高的强度和较差的塑性，在合金中起到强化的作用。另外，其相界面对于位错的运动有阻碍作用，也起到了一定的强化效应。而在拉伸过程中，由于具有相变诱导效应，承担了部分塑性变形。因此同时具有较高的强度和塑性。
实施例1：
一种提高高熵合金的塑性的方法，通过掺入1％的Al，其合金表达式为：Al1(Fe0.5Mn0.3Co0.1Cr0.1)99，根据合金表达式称取相应的原料重量进行配比。
本实施例的高熵合金制备方法，包括以下步骤：
采用的Fe、Mn、Co、Cr、Al原料纯度皆高于99.9％，机械打磨去除表面的氧化皮，超声清洗去除油污和表面杂质，将原料置于真空熔炼炉带磁搅拌工位中，熔点较低的元素放在下方。抽低真空至5×10-3pa以下，充氩气至0.05pa。反复抽真空2次，用氩气冲洗真空腔内氧气。熔融钛5次以进一步吸收腔内残余氧气。将原料熔融成液态并加以磁搅拌，待冷却成固态后用机械手翻转表面。如此反复熔炼5次后，将合金移动到吸铸工位，电弧加热至原料呈熔融状态流动性良好，吸铸到铜模中。
1.合金的相组成分析
高熵合金用水磨砂纸磨到#1000，磨出平整的金属表面以做XRD结果分析，扫描角度2θ为30-100°，扫描速度为7°/min。
图1为高熵合金Al含量分别为0和1％时的XRD分析图谱。当Al含量为0时，基体合金为双相FCC+HCP结构。当Al含量增加到1％，HCP相含量减少。在XRD上显示为HCP(100)和(103)峰消失。
2.合金的拉伸性能测试
将合金试样进行线切割，加工成平行端长度为12mm，宽度为5mm，倒角圆半径为2mm，夹持端宽度为9mm，长度为7mm，试样总长度为30mm。使用水磨砂纸将试样打磨光滑平整。用电子试验机进行室温拉伸试验。应变速率为10-3/s.
如图3所示，当Al含量为1％时，在不损失抗拉强度的情况下，拉伸塑性从22％增长到71％，塑性提高了2.28倍。
实施例2：
一种提高高熵合金的塑性的方法，通过掺入2％的Al，其合金表达式为：Al2(Fe0.5Mn0.3Co0.1Cr0.1)98，根据合金表达式称取相应的原料重量进行配比。
本实施例的高熵合金制备方法，包括以下步骤：
采用的Fe、Mn、Co、Cr、Al原料纯度皆高于99.9％，机械打磨去除表面的氧化皮，超声清洗去除油污和表面杂质，将原料置于真空熔炼炉带磁搅拌工位中，熔点较低的元素放在下方。抽低真空至5×10-3pa以下，充氩气至0.05pa。反复抽真空2次，用氩气冲洗真空腔内氧气。熔融钛5次以进一步吸收腔内残余氧气。将原料熔融成液态并加以磁搅拌，待冷却成固态后用机械手翻转表面。如此反复熔炼5次后，将合金移动到吸铸工位，电弧加热至原料呈熔融状态流动性良好，吸铸到铜模中。
合金的相组成分析
高熵合金用水磨砂纸磨到#1000，磨出平整的金属表面以做XRD结果分析，扫描角度2θ为30-100°，扫描速度为7°/min。
图2为高熵合金Al含量分别为0和2％时的XRD分析图谱。当Al含量为0时，基体合金为双相FCC+HCP结构。随着Al含量增加到2％，HCP相含量进一步减少。在XRD上显示为HCP(100)、(102)、(103)和(200)峰消失。
合金的拉伸性能测试
将合金试样进行线切割，加工成平行端长度为12mm，宽度为5mm，倒角圆半径为2mm，夹持端宽度为9mm，长度为7mm，试样总长度为30mm。使用水磨砂纸将试样打磨光滑平整。用电子试验机进行室温拉伸试验。应变速率为10-3/s.
如图4所示，当Al含量为2％时，其变形量从22％达到了83％，提高了2.77倍，强度略有下降。
Claims (2)
1.一种提高高熵合金塑性的方法，在制备高熵合金时，其特征在于，包括以下步骤：
(1)去除氧化皮，按照原子百分含量称取原料，各元素其纯度在99.9％以上；将原子百分含量0—5％Al加入到高熵合金基体中，高熵合金基体元素原子比例为：Fe:Mn:Co:Cr为50:30:10:10，高熵基体合金的表达式为Fe50Mn30Co10Cr10，高熵合金的表达式为：Alx(Fe0.5Mn0.3Co0.1Cr0.1)100-x；
(2)将原料置入丙酮中超声清洗10--15min，去除表面的油污和杂质；
(3)将原料置入真空电弧炉内的水冷铜模熔炼池中，对于Mn元素，在放置时使其处于工位的底端，关闭炉门，拧紧旋钮；
(4)对真空熔炼电弧炉抽真空至5×10-3pa以下，再向真空电弧熔炼炉内充入氩气，至真空电弧熔炼炉内的压力为0.05-0.06MPa，重复本步骤中对真空熔炼电弧炉抽真空至5×10- 3pa以下，再向真空电弧熔炼炉内充入氩气2次，以进一步降低炉腔内氧气气体含量；
(5)熔炼原料之前，反复熔炼Ti块4-6次，进一步吸收腔内残余的氧气；
(6)反复熔炼原料4次以上，并用机械手翻转原料，开启磁搅拌，使原料均匀混合，将混合均匀的原料置于吸铸工位上，电弧加热，观察原料至熔融状态流动性良好，将原料吸铸到水冷Cu模中。
2.根据权利要求1所述的一种提高高熵合金塑性的方法，其特征在于，向原料中多称取5％-8％的Mn。
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