CN110172630A - 一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，所述高熵合金的组分为Al_xCo_yCr_zNi_w，其中，x、y、z和w分别对应各自元素的摩尔配比，16≥x≥12，30≥y≥26，30≥z≥26，32≥w≥28。这种高熵合金具有亚共晶结构且强塑性匹配良好。同时本发明提供了这种四元亚共晶的高熵合金的制备方法，首先将单质金属去除氧化皮，按摩尔比称量并混合后置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气保护下，真空下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；重复熔炼四次后将所得高熵合金表面氧化皮去除，用酒精超声清洗两次，再将的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸铜模具中，得到Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样。这种方法简单、安全、稳定。

Description

一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金因具有优异的高温力学性能、耐腐蚀、耐磨性和抗氧化性，引起了广泛的研究兴趣。以往报道的高熵合金大多表现为单一的面心立方(FCC)或体心立方(BCC)相结构。然而，具有单相结构的高熵合金一般不能克服强度与塑性的此消彼长。因此，为了达到强度与塑性的平衡，设计了“软”与“硬”相结合的双相结构高熵合金。

对于双相结构合金，其力学性能与组成相的尺寸、形状和分布密切相关。此外，组织均匀、细小的合金因细晶强化效应表现出更好的力学性能和更大的优化潜力。因此，为了进一步优化双相高熵合金的强塑性组合，有研究提出了一种具有纳米片状组织的共晶高熵合金，例如文献Y.P.Lu,Y.Dong,S.Guo,et al.A promising new class of high-temperature alloys:Eutectic high-entropy alloys,Sci.Rep.,4(2014)1-5中报道的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金具有较好的强塑性匹配。最近的报道显示，与共晶高熵合金相比，具有部分初生“软”相(FCC相)的亚共晶高熵合金具有更好的强塑性匹配。例如文献X.Jin,J.Bi,L.Zhang,et al.A new CrFeNi₂Al eutectic high entropy alloy systemwith excellent mechanical properties,J.Alloys Compd.,770(2019)655-661研究结果表明亚共晶高熵合金具有较好的强度和塑性匹配。

发明内容

基于上述发明目的及依据，本发明提供了一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，这种高熵合金具有亚共晶结构，强塑性匹配良好，同时本发明提供了一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金的制备方法，这种方法简单、安全、稳定。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，所述高熵合金的组分为Al_xCo_yCr_zNi_w，其中，x、y、z和w分别对应各自元素的摩尔配比，16≥x≥12，30≥y≥26，30≥z≥26，32≥w≥28。

进一步，所述x为14。

进一步，所述y为28。

进一步，所述z为28。

进一步，所述w为30。

一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金的制备方法，具体包括如下步骤：

S1:利用SiC砂纸和砂轮机去除Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的表面杂质和氧化物，然后置于不同容器加入酒精，超声清洗两次，所述Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的纯度均不低于99.9wt％，；

S2：将超声清洗后的Al、Co、Cr和Ni单质金属原料按照Al：Co：Cr：Ni＝14:28：28：30的摩尔比称量，将总质量为60～100g的原料混合均匀置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度≤2.5×10^﹣3MPa下进行电弧熔炼，熔炼时间≥8min，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

S3：将合金锭翻转后重复S2中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

S4：重复S3四次后用砂轮机将所得高熵合金表面氧化皮去除，然后用酒精超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到长宽高为50mm*50mm*12mm的铜模具中，得到Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明中的合金为亚共晶高熵合金，亚共晶组织粗细搭配，初生相组织相对较大但软韧，共晶相细密且强度较高。

2、合金具有优异的拉伸力学性能，合金的屈服强度、极限抗拉强度和总伸长率分别为≥480MPa、≥1000MPa和≥22％,强塑性匹配良好。

3、本发明所述制备方法简单可靠，选用的几种元素均无毒且获取方便，安全性好，经济价值高。

附图说明

图1为实施例1制备得到的高熵合金的X射线衍射谱图；

图2为实施例1制备得到的高熵合金的光学显微镜照片(a为低倍图，b为高倍图)；

图3为实施例1制备得到的高熵合金的扫描电子显微镜照片(a为低倍图，b为高倍图)；

图4为实施例1制备得到的高熵合金的拉伸工程应力-应变曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但不限于此：

实施例中所使用的高真空非自耗电弧熔炼炉为中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的DHL-400型高真空非自耗电弧熔炼炉。

对所得高熵合金的物相分析、组织结构和力学性能测试表征信息如下：

(1)物相分析：采用日本理学公司X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40KV和100mA，X射线源为Cu Kа(λ＝0.1542nm)射线。

(2)微观组织：采用LEICADMI3000M光学显微镜进行微观组织表征；采用JSM-6610LV型冷场发射扫描电子显微镜进行微观组织表征。

(3)硬度测试：采用VH1102-01-0040威尔逊维氏硬度机，使用2kg加载力并持续13s；

(4)准静态拉伸力学性能测试：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温准静态拉伸试验，测试试样依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样，应变率为10^-3s^-1。

实施例1

一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金Al₁₄Cr₂₈Fe₂₈Ni₃₀的制备方法，具体步骤如下：

利用SiC砂纸和砂轮机去除Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的表面杂质和氧化物，然后置于不同容器加入酒精，超声清洗两次，Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的纯度均不低于99.9wt％，；

将超声清洗后的Al、Co、Cr和Ni单质金属原料按照14:28:28:30的摩尔比称量，将总质量为80g的原料混合均匀置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度2.5×10^﹣3MPa下进行电弧熔炼，熔炼时间8min，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

将合金锭翻转后重复电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

重复上述步骤四次后用砂轮机将所得Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金表面氧化皮去除，然后用酒精超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到长宽高为50mm*50mm*12mm的铜模具中，从而得到Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样。

对Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，可知，Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样由面心立方(FCC)和体心立方(BCC)结构固溶体相组成；

对Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图2所示，扫描电子显微镜照片如图3所示，可知，Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金表现为典型的树枝晶组织；其中，图2b中灰色为两种不同形貌组成的枝晶间；图3b中可以发现图2b中枝晶间灰色区域为FCC相和BCC相组成的层片状共晶组织；

对Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样进行硬度测试，表1为样品的硬度数据表，从表1可以看出，合金的硬度在292HV左右；

表1实施例1样品的硬度数据表

样品	硬度/HV
		Al<sub>14</sub>Co<sub>28</sub>Cr<sub>28</sub>Ni<sub>30</sub>	292HV

对Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸工程应力-应变曲线如图3所示，可知，Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金的屈服强度、抗拉强度和断后长率分别≥480MPa、≥1000MPa和≥22％；

最后需要说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的组分为Al_xCo_yCr_zNi_w，其中，x、y、z和w分别对应各自元素的摩尔配比，16≥x≥12，30≥y≥26，30≥z≥26，32≥w≥28。

2.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，其特征在于：所述x为14。

3.根据权利要求1或2所述的一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，其特征在于：所述y为28。

4.根据权利要求3所述的一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，其特征在于：所述z为28。

5.根据权利要求4所述的一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金，其特征在于：所述w为30。

6.一种强塑性匹配良好的四元亚共晶高熵合金的制备方法，其特征在于：具体制备方法包括如下步骤：

S1:利用SiC砂纸和砂轮机去除Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的表面杂质和氧化物，然后置于不同容器加入酒精，超声清洗两次，所述Al、Co、Cr和Ni单质金属原料的纯度均不低于99.9wt％，；

S2：将超声清洗后的Al、Co、Cr和Ni单质金属原料按照Al：Co：Cr：Ni＝14:28：28：30的摩尔比称量，将总质量为60～100g的原料混合均匀置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度≤2.5×10^﹣3MPa下进行电弧熔炼，熔炼时间≥8min，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

S3：将合金锭翻转后重复S2中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

S4：重复S3四次后用砂轮机将所得高熵合金表面氧化皮去除，然后用酒精超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到长宽高为50mm*50mm*12mm的铜模具中，得到Al₁₄Co₂₈Cr₂₈Ni₃₀高熵合金测试样。