CN110257686A

CN110257686A - 一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110257686A
Application number: CN201910618935.9A
Authority: CN
Inventors: 雷卫宁; 薛冰; 陈世鑫; 刘骁; 王泽�; 李小平
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: CN110257686B

Abstract

本发明以Fe、Cu、Ni、Co为主元元素，添加金属元素Al、V和非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.3％‑0.6％，通过球磨、高温气氛熔炼烧结制得一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料；该材料主要为FCC相和BCC相固溶体高熵合金，六种金属元素原子系数相近，金属元素之间互溶性好，能够形成稳定的固溶体，添加的非金属元素B在改善强度的同时提高了高熵合金的硬度和耐磨性，得到一种综合性能优异的高熵合金。

Description

一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高熵合金材料技术领域，具体涉及一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料及其制备方法。

背景技术

合金设计的传统是在金属元素矩阵中添加一个或多个金属元素。但是现在，由于传统合金系统的发展已经趋于饱和，根据传统的合金设计理念创造新的合金系统越来越困难。由此提出了一种新的合金设计理念。

高熵合金是由五种或五种以上等量或大约等量金属元素形成的合金，能够形成简单的固溶体相结构，FeCuNiCoMn高熵合金是常见的五种主元合金，其表现出单一的FCC相固溶体，没有添加Al元素为FCC固溶体高熵合金，FCC相固溶体大多强度较低，综合性能无法满足多方面应用的需求，而添加Al元素后则产生新的BCC相固溶体，而BCC相固溶体具有较高的硬度和强度，但随之塑性会有所降低，如何获得具有较高塑性和强度的此类合金成为主要探究的目标，对此还需要进一步改进高熵合金的成分配置及制备工艺。

发明内容

为了解决高熵合金塑性和强度低的技术问题，而提供一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料，包括六种金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al和一种非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.3％-0.6％。

上述高熵合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配置Fe、Cu、Ni、Co、V、Al、B混合粉末；

(2)机械合金化：300-600r/min下进行球磨3-6h后，干燥；

(3)熔炼烧结：抽真空至0.02-0.04MPa，通入惰性气体保护气，升温至1230-1870℃下熔炼烧结并保温4-6h后，冷却即得FeCuNiCoVAlB高熵合金材料。

进一步地，步骤(1)中所述高熵合金混合粉末中所用金属元素粉末的颗粒大小为175-323目。

进一步地，步骤(2)中按照(0.2-0.4):(1-3):(0.23-0.4)质量比的混合粉末、不锈钢球、乙醇进行球磨；所述不锈钢球的直径为5-20mm；所述干燥的温度为60-100℃，干燥的时间为2-4h。

进一步地，步骤(3)中所述惰性气体为氩气；升温的过程中升温速率为5-8℃/min，升温的过程中先升温至500℃并保温0.5h，然后再升温至1230-1870℃；冷却的过程中的降温速率为4-6℃/min；升温和降温的过程保持压力恒定。升温速率和降温速率影响熔炼烧结得到的高熵合金的晶粒组织大小，进而影响性能，在此升温速率和降温速率下得到的高熵合金晶粒组织均匀、尺寸较小。

有益技术效果：

本发明以Fe、Cu、Ni、Co为主元元素，添加金属元素Al,V和非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.3％-0.6％，通过高温气氛熔炼烧结制得一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料；该材料主要为FCC相和BCC相固溶体高熵合金，六种金属元素原子系数相近，金属元素之间互溶性好，能够形成稳定的固溶体，添加的非金属元素B在改善强度的同时提高了高熵合金的硬度和耐磨性，得到一种综合性能优异的高熵合金，本发明的高熵合金材料可用于制造对材料要求较高的模具和刀具或者用于制作高尔夫球头的打击面、油压气压杆、钢管、辊压筒等的硬面。

附图说明

图1为6中金属元素单质粉末的SEM形貌图，其中A为Fe、B为Cu、C为Ni、D为Co、E为V、F为Al。

图2为球磨后FeCuNiCoVAlB高熵合金粉末形貌SEM图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。

实施例1

一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料，包括六种金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al和一种非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.3％。

上述高熵合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配置Fe、Cu、Ni、Co、V、Al、B混合粉末，所用金属元素粉末的颗粒大小在175-323目范围内；各粉末质量如下：Fe粉41.9g、Cu粉31.8g、Ni粉29.3g、Co粉29.5g、V粉25.5g、Al粉13.5g、B粉0.52g；

(2)机械合金化：将步骤(1)配置好的混合粉末置于行星式球磨机中，称取混合粉末0.2kg、不锈钢球1kg、乙醇0.23kg，进行球磨，300r/min下进行球磨3h后，于60℃下干燥2h；其中不锈钢球使用等质量比直径大小为5、10、15、20mm来进行球磨；

(3)熔炼烧结：将经步骤(2)的混合粉末置于高温气氛熔炼炉中进行烧结，使用氩气为保护气，抽真空至0.02MPa，通入氩气恢复炉内压力为正压，循环抽真空过程三次，使氩气充盈炉腔；

以5℃/min的速率先升温至500℃，保温半小时，再以5℃/min的速率升温至1230℃进行熔炼烧结，保温4h后，以4℃/min的降温速率冷却至室温后即得FeCuNiCoVAlB高熵合金材料。升温和降温的过程保持压力恒定。

实施例2

一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料，包括六种金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al和一种非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.45％。

上述高熵合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配置Fe、Cu、Ni、Co、V、Al、B混合粉末，所用金属元素粉末的颗粒大小在175-323目范围内；各粉末质量如下：Fe粉41.9g、Cu粉31.8g、Ni粉29.3g、Co粉29.5g、V粉25.5g、Al粉13.5g、B粉0.77g；

(2)机械合金化：将步骤(1)配置好的混合粉末置于行星式球磨机中，称取混合粉末0.3kg、不锈钢球2kg、乙醇0.3kg，进行球磨，450r/min下进行球磨4.5h后，于80℃下干燥3h；其中不锈钢球使用等质量比直径大小为5、10、15、20mm来进行球磨；

(3)熔炼烧结：将经步骤(2)的混合粉末置于高温气氛熔炼炉中进行烧结，使用氩气为保护气，抽真空至0.03MPa，通入氩气恢复炉内压力为正压，循环抽真空过程三次，使氩气充盈炉腔；

以6℃/min的速率先升温至500℃，保温半小时，再以6℃/min的速率升温至1560℃进行熔炼烧结，保温4h后，以5℃/min的降温速率冷却至室温后即得FeCuNiCoVAlB高熵合金材料。升温和降温的过程保持压力恒定。

实施例3

一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料，包括六种金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al和一种非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al按原子比1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.6％。

上述高熵合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配置Fe、Cu、Ni、Co、V、Al、B混合粉末，所用金属元素粉末的颗粒大小在175-323目范围内；各粉末质量如下：Fe粉41.9g、Cu粉31.8g、Ni粉29.3g、Co粉29.5g、V粉25.5g、Al粉13.5g、B粉1.03g；

(2)机械合金化：将步骤(1)配置好的混合粉末置于行星式球磨机中，称取混合粉末0.4kg、不锈钢球3kg、乙醇0.4kg，进行球磨，600r/min下进行球磨6h后，于100℃下干燥4h；其中不锈钢球使用等质量比直径大小为5、10、15、20mm来进行球磨；

(3)熔炼烧结：将经步骤(2)的混合粉末置于高温气氛熔炼炉中进行烧结，使用氩气为保护气，抽真空至0.04MPa，通入氩气恢复炉内压力为正压，循环抽真空过程三次，使氩气充盈炉腔；

以8℃/min的速率先升温至500℃，保温半小时，再以8℃/min的速率升温至1870℃进行熔炼烧结，保温4h后，以6℃/min的降温速率冷却至室温后即得FeCuNiCoVAlB高熵合金材料。升温和降温的过程保持压力恒定。

上述三个实施例的Fe、Cu、Ni、Co、V、Al的单质粉末的SEM如图1所示，单质粉末颗粒大小在175-323目的范围内；对实施例3中经过步骤(2)机械合金化的球磨后进行形貌观察，SEM如图2所示，球磨后各元素粉末均在一定程度上被细化、均匀化，在后续进行烧结后得到的高熵合金具有更小、更均匀的晶粒组织。

对上述实施例制备的FeCuNiCoVAlB高熵合金进行性能测试，性能数据见表1。

采用Nanovea TRB摩擦磨损试验机对上述实施例制备的高熵合金表面进行耐磨性测试。实验选用直径6mm的陶瓷球，测试参数为：载荷为10N，转速为180r/min，摩擦时间30min，实验温度为室温，实验为干摩擦。

采用HVS-1000A型维氏硬度计对上述实施例制备的高熵合金进行显微硬度测试，载荷200g，保压时间为10s，硬度测试时，在合金表面均匀选取7个测试点，去除最大与最小值后取5个测量值的平均值。

采用排水法对上述实施例制备的高熵合金进行致密度测试，测试步骤：排水法采用阿基米德原理，使用高精度电子天平测量成形试样在空气中的质量m₀，之后测量合金在蒸馏水中的质量m₁，利用公式1-1计算试样致密度；

式中，K为致密度；

ρ_水为蒸馏水密度，为0.9982g/cm³；

ρ₁为高熵合金的密度，为9.7g/cm³。

使用WDIV3200电子万能试验机进行拉伸试验，横梁速度0.5mm/min。

表1实施例1～3制备的FeCuNiCoVAlB高熵合金的性能数据

经上述3种实施例制备的FeCuNiCoVAlB高熵合金，由表1可见，本发明的FeCuNiCoVAlB高熵合金材料耐磨性高、塑性好、抗拉性能优异、合金材料表面硬度高、致密度均＞70％，具有良好的致密性。本发明方法将较多元素混合进行氩气保护下高温熔炼烧结，能有效降低原子自由能，从较大程度上抑制了金属间化合物的形成，使制得的高熵合金在凝固时更容易形成固溶体。

添加的B元素，可以在一定程度上提高合金的抗拉强度，但是B元素配比过量会导致合金发生早期脆性断裂而使抗拉强度下降(本发明中B占总金属元素质量的0.3-0.6％，配比适当)。而本发明在高熵合金中还配给了Al、Ni元素，这两种元素能较容易形成致密的氧化膜，使其具有良好致密度，并具有一定的耐腐蚀性能。随着熔炼烧结温度越高、保温时间越长，合金的扩散系数变大，晶粒组织更加均匀，合金中先共析相与共晶组织间的应变能得到释放，减少了缺陷的产生，提高致密度并在一定程度上提高高熵合金的耐腐蚀能力。本发明的FeCuNiCoVAlB高熵合金在工业应用方面具有较大的研究及应用前景。

Claims

1.一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料，其特征在于，包括六种金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al和一种非金属元素B，所述金属元素Fe、Cu、Ni、Co、V、Al的原子比为1.5:1:1:1:1:1，所述非金属元素B占金属元素总质量的0.3％-0.6％。

2.一种根据权利要求1所述的FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)配置Fe、Cu、Ni、Co、V、Al、B混合粉末；

(2)机械合金化：300-600r/min下进行球磨3-6h后，干燥；

3.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高熵合金混合粉末中所用金属元素粉末的颗粒大小为175-323目。

4.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中按照质量比(0.2-0.4):(1-3):(0.23-0.4)的混合粉末、不锈钢球、乙醇进行球磨。

5.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述不锈钢球的直径为5-20mm。

6.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述干燥的温度为60-100℃，干燥的时间为2-4h。

7.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述惰性气体为氩气。

8.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中升温的过程中升温速率为5-8℃/min，升温的过程中先升温至500℃并保温0.5h，然后再升温至1230-1870℃。

9.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中冷却的过程中降温速率为4-6℃/min。

10.根据权利要求2所述的一种FeCuNiCoVAlB高熵合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中升温和降温的过程保持压力恒定。