CN110157970B

CN110157970B - 一种高强塑积CoCrNi中熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN110157970B
Application number: CN201910499699.3A
Authority: CN
Inventors: 杜兴蒿; 高翔; 畅海涛; 段国升; 武保林; 王大鹏; 邹乃夫
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-06-11
Also published as: CN110157970A

Abstract

本发明属于中高熵合金材料制备领域，具体为一种高强塑积CoCrNi中熵合金及其制备方法。通过改变Ni‑Co‑Cr的成分获得高强韧性基体，同时结合相变强化，使得合金在锻造热处理态也获得了极好的室温拉伸性能，达到100％以上，屈服强度可达到550MPa，抗拉强度可达到900MPa以上，具有极高的强塑积性。该高性能合金可通过铸造工艺加工成多种形式的产品，广泛应用在工业产业和航空航天领域。

Description

一种高强塑积CoCrNi中熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于中高熵合金材料制备领域，涉及高强韧性中熵合金变形材料，尤其是高强韧性中熵合金航空航天材料及其制备方法，具体为一种高强塑积CoCrNi中熵合金及其制备方法。

背景技术

高强高韧材料的开发一直是材料研究的热点。然而，大多数传统强化方式在提高强度的同时会造成塑性的降低。如何实现抗拉强度和均匀拉伸塑性的综合提高历来是结构金属材料追求的目标。随着民用、航空航天工业的发展，对先进结构材料的强度和韧性提出了越来越高的要求。其中TRIP（相变诱发塑性）和TWIP（孪晶诱发塑性）钢是具有很高的强塑积的结构材料的典型代表。但由于钢自身具有耐蚀性较差、高温强度较低等缺点，使得这种高强积性结构材料的应用领域极为有限（主要应用于汽车等领域）。如何在高温合金体系也开发出具有较高的强塑积的结构材料可拓展高温合金的应用领域，具有重要的经济和学术价值。

传统的钴-基高温合金由于只有钴或者钴-镍作为主元元素，可以获得很高的强度，但塑性变形能力相对较低，不能提供足够高的强塑积。目前，多主元中、高熵合金打破了传统合金以一种或两种元素为主的设计理念，构成的一类新型特种合金，具有高熵效应、多变形机制、晶格畸变和迟缓扩散效应等特性，并且表现出高强度、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。然而目前研究的中、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高，但塑性远不能满足工程应用要求。

就综合提高多主元合金的强韧性问题，近年来提出了“亚稳工程”的概念，即通过调整高熵合金的成分来降低固溶体相的稳定性和堆垛层错能，在变形过程中发生应力诱导相转变，从而实现强韧化的目的。

等摩尔比CoCrNi主元元素均为高温合金常用元素，具有很高的抗氧化腐蚀性能。这种中熵合金的优异的力学性能也得到越来越多的重视。然而困扰该合金实用化进程的仍然是较低的强度。室温下，其热轧热处理态的强塑积只有40~50 GPa %，处于中等水平。最近，一些研究利用非等摩尔设计理念提高CoCrNi合金系的强韧性，往往塑性和强度仍然为一对矛盾体，强度提高的同时塑性降低，因此得到的强塑积也处于中等水平。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高强塑积CoCrNi中熵合金及其制备方法，通过合金设计，获得具有适当稳定性FCC结构的CoCrNi合金系，通过工业上常用的热机械处理方法实现合金获得超高的强塑性。

本发明是这样实现的，一种高强塑积CoCrNi中熵合金，包含如下成分：Co36-38at%、Cr 33% at.%、Ni29-31at.%。

一种上述高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，包括如下步骤：

1）按照权利要求1的配方配置合金原料，即Co36-38 at%、Cr 33% at.%、Ni29-31at.%；

2）通过真空感应炉熔炼成铸锭，进行均匀化处理；

3）热锻，变形量控制在50-70%；

4）退火处理，拉伸，得到高强塑积CoCrNi中熵合金。

进一步地，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为900-1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

进一步地，按at.%计，合金成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉，步骤2）中铸锭的质量为18 kg，均匀化处理的条件为1200^oC、4h；步骤3）中热锻温度为1000℃；步骤4）中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过本发明的技术方案获得的材料，抗拉强度超过1.0 GPa, 同时拉伸延伸率超过100%，是一种强塑积超过100 GPa %的超强韧合金。

附图说明

图1为本发明合金通过热锻退火处理后的FCC单相的合金图；

图2为本发明合金通过热锻退火处理后合金在室温拉伸过程中的相变（TRIP效应）图；

图3为本发明合金通过热锻退火处理后合金在室温拉伸过程中的力学性能图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1 为利用本发明的方法，即热锻退火处理后合金的再结晶组织形貌；图2 为利用本发明的方法制备的合金在室温拉伸过程中的XRD衍射曲线，说明在拉伸过程中存在相变；图3为热锻退火处理后合金的典型的室温拉伸曲线。

实施例1、

配制成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%。锻件再进行900^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为550MPa、抗拉强度为1050MPa、延伸率为110%。

实施例2、

配制成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%左右。锻件再进行900^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为556MPa、抗拉强度为1070MPa、延伸率为104%。

实施例3、

配制成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%左右。锻件再进行900^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为570MPa、抗拉强度为1100MPa、延伸率为100%。

实施例4

配制成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%左右。锻件再进行1000^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为530MPa、抗拉强度为1010MPa、延伸率为115%。

实施例5、

配制成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%左右。锻件再进行1000^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为535MPa、抗拉强度为1060MPa、延伸率为102%。

实施例6、

配制成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉（at.%）合金，通过真空感应炉熔炼成18Kg铸锭，进行1200^oC/4h的均匀化处理。在1000^oC左右进行热锻，变形量为50%左右。锻件再进行1000^oC/2h的退火处理。在室温下以10^-3s^-1的拉伸速率进行拉伸，得到的合金拉伸屈服强度为565MPa、抗拉强度为1089MPa、延伸率为103%。

Claims

1.一种高强塑积CoCrNi中熵合金，其特征在于，包含如下成分：Co36-38at％、Cr33％at.％、Ni29-31at.％。

2.一种如权利要求1所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按照权利要求1的配方配置合金原料，即Co36-38 at％、Cr 33％at.％、Ni29-31at.％；

2)通过真空感应炉熔炼成铸锭，进行均匀化处理；

3)热锻，变形量控制在50-70％；

4)退火处理，拉伸，得到高强塑积CoCrNi中熵合金。

3.如权利要求2所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为900-1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

4.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

5.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

6.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为900℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

7.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₆Cr₃₃Ni₃₁，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

8.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₇Cr₃₃Ni₃₀，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。

9.如权利要求3所述的高强塑积CoCrNi中熵合金的制备方法，其特征在于，按at.％计，合金成分为Co₃₈Cr₃₃Ni₂₉，步骤2)中铸锭的质量为18kg，均匀化处理的条件为1200℃、4h；步骤3)中热锻温度为1000℃；步骤4)中退火处理的条件为1000℃、2h，拉伸的温度为室温，拉伸速度为10^-3s^-1。