CN110157971B - 一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备领域，特别是一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法。包括如下步骤：(1)称取原料；(2)制备Fe‑Ti‑C坯体：选择基体中Fe、Ti和C粉末球磨混料，将混料之后的Fe、Ti和C混合粉末制备成坯体；(3)感应熔炼：将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部，将步骤(2)得到的Fe‑Ti‑C坯体覆盖于混合颗粒上，将坩埚放入感应熔炼炉中，精炼、浇铸成形，得到原位增强高熵合金复合材料。本申请通过选择Fe‑Ti‑C制备成增强体预制块，使得粉末坯体具有更好的压制性；感应熔炼时，通过将Fe‑Ti‑C粉末压坯置于金属颗粒上，借助真空感应熔炼技术在高熵合金基体中原位生成TiC增强体颗粒，种原位增强相细小弥散分布，增强体与基体两相界面干净，结合强度高。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，特别是一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法。
背景技术
高熵合金因其独特的结构特点和力学性能，在近些年受到国内外学者的广泛关注，目前学者们对于其研究重点关注在高熵合金自身的制备，而对于高熵合金复合材料的研究相对较少。复合材料既具有基体金属的韧性又具有增强相的强度，具有广阔的应用前景。
根据增强相的加入方式不同，高熵合金复合材料的制备方法有热压烧结法、搅拌铸造法、电弧熔炼法等。
热压烧结法，将外加增强体与基体合金粉末球磨混合后装入模具，经过加压致密化后烧结成形。这种方法制备的复合材料增强体和基体结合强度差，材料致密性较差。
搅拌铸造法，将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式搅拌使其分散到金属熔体中形成复合材料。这种方法的困难在于加入的增强体颗粒尺寸细小与金属液体浸润性差，增强体容易团聚分布不均。
以上两种方法只适用于外生型增强复合材料，增强体与基体的界面结合差。
电弧熔炼法，利用电极与物料间产生的电弧加热使金属熔化，浇铸形成复合材料。相对于前两种方法只能制备外生型增强复合材料，该方法也可以制备内生型复合材料，但是消耗的电能大，熔炼炉设备贵，生产成本高、效率低，一次性生产的量小，冶炼生成的高熵合金复合材料质量差。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法，包括如下步骤：
(1)称取原料；
(2)制备Fe-Ti-C坯体：选择基体中Fe、Ti和C粉末球磨混料，将混料之后的Fe、Ti和C混合粉末制备成坯体；
(3)感应熔炼：将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部，将步骤(2)得到的Fe-Ti-C坯体覆盖于混合颗粒上，将坩埚放入感应熔炼炉中，精炼、浇铸成形，得到原位增强高熵合金复合材料。
进一步的，所述步骤(1)称取原料具体为：Fe、Co、Cr、Ni、Cu元素的摩尔比按照1:1:1:1:1称取，算出高熵合金复合材料的理论体积，求出不同TiC体积分数下复合材料中Ti、C元素的相对质量。
进一步的，所述步骤(2)中的球磨混料具体为：按照步骤(1)称取Fe、Ti、C粉末，球料比为5:1，转速为200-300r/min，球磨时间3-5h。
进一步的，所述步骤(2)中的坯体制备具体为：将球磨后的Fe-Ti-C混合粉末置于干燥箱中，在100-120℃下，干燥2-3小时，然后通过压力机挤压成坯体，压力为120MPa-180Mpa。
进一步的，步骤(3)之前，计算Fe-Ti-C坯体的质量损失比，通过质损比得出其余所需Co、Cr、Ni、Cu的质量，称取Co、Cr、Ni、Cu颗粒混合，然后将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部。
进一步的，所述步骤(3)中的感应熔炼的具体条件为：抽真空直到感应熔炼炉中的真空度为10－1～10－2Pa，通入氩气作保护气氛，使炉内气压为0.1-0.3Pa；将感应熔炼炉功率逐渐提高至炉内有发光发热，再降速提高功率至粉末坯体发生增强体反应，爆燃分散，同时基体金属颗粒熔化；保持该加热功率保温一段时间，使复合材料精炼，之后在铜模上浇铸成形。
进一步的，步骤(3)之后还包括如下步骤：浇铸成形后使复合材料随炉冷切1.5-3.5小时，取出后用砂轮、砂纸打磨飞边去除表面缺陷，最终得到高熵合金基复合材料。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本申请通过选择Fe-Ti-C粉末球磨混合，干燥压坯制备增强体预制块，由于Fe元素相对于基体其他四种成分，和Ti、C元素的物理化学结合特性更好，从而使得粉末坯体具有更好的压制性。
(2)本申请在感应熔炼时，通过将Fe-Ti-C粉末压坯置于金属颗粒上，借助真空感应熔炼技术在高熵合金基体中原位生成TiC增强体颗粒，种原位增强相细小弥散分布，增强体与基体两相界面干净，结合强度高；TiC增强体通过化学反应生成，降低反应温度，热力学更加稳定。
(3)采用真空感应熔炼法，利用电磁感应原理加热，该技术升温速度快，消耗电能相对少，节能省时，熔炼效率高，工艺简单，冶炼成本低，便于工业推广生产。
(4)经测试，通过该方法制备的原位TiC颗粒增强FeCoCrNiCu高熵合金基复合材料具有单一的面心立方结构，是一种简单的固溶体相，未形成复杂的金属间化合物和非晶组织，在性能上，该高熵合金复合材料相对于高熵合金基体，抗拉强度和硬度有了明显提升。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1实施例1的高熵合金基复合材料的XRD衍射图像。
图2实施例1的高熵合金基复合材料的基体SEM扫描照片。
图3图2中的A成分的EDS能谱。
具体实施方式
本发明主要采用真空感应熔炼的方式，在高熵合金基体内部通过原位反应的方式生成内生型TiC增强体颗粒。
本发明提供一种在高熵合金基复合材料中，通过原位反应方式生成增强体颗粒的真空感应熔炼方法。生成的TiC颗粒增强体为原位反应生成，细小弥散、表面干净、界面结合强度高。
高熵合金基复合材料的感应熔炼方法，包括以下步骤：
第一步，计算高熵合金复合材料各元素成分。Fe、Co、Cr、Ni、Cu元素的摩尔比基本按照1:1：1：1：1，同时算出高熵合金复合材料的理论体积，进而求出不同TiC体积分数下复合材料中Ti、C元素的相对质量。然后称取高纯的Fe、Ti、C粉末球磨混合，球料比为5:1，转速为250r/min，球磨时间4h。选择基体中Fe元素与Ti、C粉末混合的原因在于，Fe与Ti、C元素的物理化学结合性更好，Fe(1535℃)、Ti(1668℃)的熔点更加接近，便于同步熔化结合促进反应；球磨混合的目的在于将三种金属粉末混合均匀，同时有一定的机械结合便于反应，增加粉末块体的压制性。
第二步，将球磨后的Fe-Ti-C粉末体系置于干燥箱中，在110℃下，干燥2小时。然后通过油压机挤压成坯样，压力控制在120MPa-180MPa。干燥压坯的目的在于使混合均匀的粉末结合紧密，压块之后便于感应加热，同时干燥消除粉末的水蒸汽。
第三步，计算Fe-Ti-C粉末坯体的质量损失比(即现在坯体质量除以干燥压坯前粉末体系的质量)，通过质损比求得其余所需Co、Cr、Ni、Cu元素质量，称取高纯Co、Cr、Ni、Cu元素颗粒混合。由于Fe-Ti-C粉末体系球磨混合、干燥压坯必然有质量损失，这一步主要是为了保证复合材料中各元素配比准确无误，保证高熵合金基体成分准确。
第四步，将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部，将Fe-Ti-C粉末坯体覆盖于混合颗粒上。将坩埚放入感应熔炼炉中，抽真空直到真空度为10－1～10－2Pa。通入少量氩气作为保护气氛，使炉内气压为0.2Pa左右。金属混合颗粒放在坩埚底部，粉末坯体放在上部的原因在于利用金属颗粒产生感应电流，利用颗粒间隙同步传导热量，粉末坯体在上部完成反应的一瞬间借助电磁感应和自身重力作用向向下熔融基体扩散，有利于增强体分布均匀。
第五步，将感应熔炼炉功率逐渐提高至炉内有明显发光发热，再缓慢提高功率至粉末坯体发生明显的增强体反应，爆燃分散，同时基体金属颗粒熔化；保持该加热功率保温一段时间，使复合材料精炼，之后在铜模上浇铸成形。
第六步，浇铸成形后使复合材料随炉冷切2小时左右，取出后用砂轮、砂纸打磨飞边去除表面缺陷，最终得到高熵合金基复合材料。
本发明选择Fe-Ti-C粉末球磨混合，干燥压坯制备增强体预制块，将粉末压坯置于金属颗粒上，借助真空感应熔炼技术在高熵合金基体中原位生成TiC增强体颗粒。与传统制备方法相比，真空感应熔炼技术借助电磁感应加热，在真空下完成合金的熔化和浇铸过程，可以有效地避免合金材料被空气污染，消除不必要的氧化。该方法具有升温速度快，冶炼效率高，温度范围宽，能量利用率高，冶炼成本低等特点，能够适应大规模工业生产的需求。同时借助该技术可以在高熵合金基体内原位生成TiC复合材料，这种原位反应法生成的增强相热力学更稳定，两相结合强度高，与基体金属浸润性良好；增强相的分布更加均匀，细小弥散；保证塑性的同时，可以更有效地提高基体材料的比强度和比模量。该高熵合金基复合材料，随着TiC增强体在一定范围内的加入，材料抗拉强度和硬度会有所增加，同时保持一定的延伸率，达到强韧的效果。
实施实例1
5vol％TiC/FeCoCrNiCu高熵合金基复合材料的感应熔炼方法，包括如下步骤：
(1)粉末压坯制备：基体Fe、Co、Cr、Ni、Cu各元素的摩尔比为1：1：1：1：1，Ti粉、C粉含量为占复合材料总体积分数的5％。将高纯Fe粉、C粉、Ti粉混合放入球磨罐中，球粉比5：1，转速为250r/min球磨混合。之后在110℃下干燥2小时，通过油压机挤压成圆柱形坯样，压力为180MPa。
(2)合金颗粒准备：称量计算Fe-Ti-C粉末压坯的质损比，然后称量出Co、Cr、Ni、Cu金属颗粒的质量，混合备用。
(3)装样抽真空:将混合金属颗粒置于坩埚底部，将Fe-Ti-C粉末压坯覆于混合颗粒上，将坩埚放入感应熔炼炉内，抽真空至真空度为10－1～10－2Pa。通入少量氩气作为保护气氛，使炉内气压为0.2Pa左右。
(4)熔炼反应：逐渐提高加热功率，通过监视孔观察试样颜色在预热过程中的变化过程，至炉内有明显发光发热，再缓慢提高功率至粉末坯体发生明显的增强体反应，爆燃分散，同时基体金属颗粒熔化。
(5)浇铸成形：保持该加热功率2-3min精炼合金，然后在铜模中浇铸成形，停止加热。
(6)取样打磨：随炉冷却至室温后，取出反应试样，用砂轮打磨去除飞边和表面缺陷，得到高熵合金基复合材料。
对(6)中得到的高熵合金基复合材料进行XRD衍射，如附图1所示，进行扫描电镜分析，如附图2所示。由附图1可知，制备的高熵合金基复合材料主相为简单的面心立方结构，增强相为TiC陶瓷颗粒。由附图2和附图3可知，5vol％TiC/FeCoCrNiCu高熵合金基复合材料分布着很多细小的增强体颗粒，TiC颗粒在基体中原位反应生成，结合强度高。经测试，该高熵合金基复合材料室温拉伸强度为645.2MPa,延伸率为40.53％，显微维氏硬度为224.8HV。
Claims (6)
1.一种原位增强高熵合金复合材料的感应熔炼方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取原料；
(2)制备Fe-Ti-C坯体：选择基体中Fe、Ti和C粉末球磨混料，将混料之后的Fe、Ti和C混合粉末制备成坯体；
(3)感应熔炼：将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部，将步骤(2)得到的Fe-Ti-C坯体覆盖于混合颗粒上，将坩埚放入感应熔炼炉中，精炼、浇铸成形，得到原位增强高熵合金复合材料；
所述步骤(3)中的感应熔炼的具体条件为：抽真空直到感应熔炼炉中的真空度为10－1～10－2Pa，通入氩气作保护气氛，使炉内气压为0.1-0.3Pa；将感应熔炼炉功率逐渐提高至炉内有发光发热，再降速提高功率至粉末坯体发生增强体反应，爆燃分散，同时基体金属颗粒熔化；保持该加热功率保温一段时间，使复合材料精炼，之后在铜模上浇铸成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)称取原料具体为：Fe、Co、Cr、Ni、Cu元素的摩尔比按照1:1:1:1:1称取，算出高熵合金复合材料的理论体积，求出不同TiC体积分数下复合材料中Ti、C元素的相对质量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的球磨混料具体为：按照步骤(1)称取Fe、Ti、C粉末，球料比为5:1，转速为200-300r/min，球磨时间3-5h。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的坯体制备具体为：将球磨后的Fe-Ti-C混合粉末置于干燥箱中，在100-120℃下，干燥2-3小时，然后通过压力机挤压成坯体，压力为120MPa-180MPa 。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)之前，计算Fe-Ti-C坯体的质量损失比，通过质损比得出其余所需Co、Cr、Ni、Cu的质量，称取Co、Cr、Ni、Cu颗粒混合，然后将Co、Cr、Ni、Cu混合颗粒置于坩埚底部。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)之后还包括如下步骤：浇铸成形后使复合材料随炉冷却1.5-3.5小时，取出后用砂轮、砂纸打磨飞边去除表面缺陷，最终得到高熵合金基复合材料。
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