CN110396634B - 轻量化高熵合金及叶轮的制造工艺 - Google Patents

轻量化高熵合金及叶轮的制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻量化高熵合金及叶轮的制造工艺，轻量化高熵合金的分子式为(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1，组织结构简单，是FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，其中，FCC相和BCC相的体积分数分别为59％和41％，显微硬度为423HV，密度为7.05g/cm3，室温下的屈服强度为674MPa，断裂强度为1425MPa，伸长率为19.3％。

Description

轻量化高熵合金及叶轮的制造工艺
【技术领域】
本发明属于工业制造领域，尤其涉及轻量化高熵合金叶轮的制造工艺。
【背景技术】
近年来，我国在海洋界限问题上与周边各国的利益纠纷逐渐加深，为保证我国主权和利益不受侵犯，轻量化两栖装甲车辆的研发被提上日程。两栖装甲车辆是一种具有水陆两用性的装甲车辆，自二次大战以来,两栖装甲车辆就凭借其优越的水、陆机动性和两栖生存能力,成为两栖登陆作战首选的装甲突击力量。
对于两栖装甲车辆，由于轮履划水效率低，航速难以适应现代战争的需要，而采用螺旋桨推进在浅吃水时易产生浅水效应，且螺旋桨暴露在外易受损伤，因而喷水推进装置是两栖装甲车辆的首选推进方式。叶轮作为喷水推进装置的最关键部件，它的性能好坏直接影响了两栖装甲车辆的涉水性能。因此，叶轮必须满足轻质、低密度、高强度、耐磨、耐海水腐蚀、较高的疲劳性能等关键性能。
现有的叶轮主要采用不锈钢和钛合金制造，不锈钢铸造流动性差，制备过程复杂耗时，钛合金具有轻量化和耐腐蚀的特性，但是钛合金的耐磨性和疲劳性能较差。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种轻量化高熵合金叶轮的制造工艺，通过该工艺制造出的高熵合金叶轮可以同时具有密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及抗疲劳等优良的综合性能。
本发明采用以下技术方案：轻量化高熵合金分子式为(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1。
本发明的另一种技术方案：轻量化高熵合金叶轮的制造工艺，包括以下步骤：
根据(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金的原子比，称量各元素原料备用；
抽真空：将各元素原料放入真空电弧熔炼炉炉腔内的第一容器中，并在炉腔内的第二容器中放置纯金属块；将真空电弧熔炼炉抽真空至(2.5～3.5)*10-3Pa后，通入惰性气体，直至炉腔内压强为-0.6Pa；
熔炼：对纯金属块至少熔炼3次后，将第一容器中的原料翻转熔炼5～6次，每次熔炼时间为3～5min，得到高熵合金铸锭，冷却至室温后开炉取样；
浇铸：将高熵合金铸锭翻转后放置于第一容器中，重复抽真空步骤，并将其熔炼至液态后注入叶轮模具中，冷却至室温后即可得到轻量化高熵合金叶轮。
进一步的，(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金中Fe、Co、Ni、Al、C的原子比为19.8：19.8：40.59：18.81：1。
进一步的，纯金属块选为纯钛金属块，熔炼步骤中对纯钛金属块至少熔炼3次当其表面呈现金属光泽，则继续执行后续步骤；否则，重复执行抽真空步骤并更换纯钛金属块进行熔炼，直至熔炼后的纯钛金属块表面呈现金属光泽，继续执行后续步骤。
进一步的，在对原料进行翻转熔炼过程中，非首次和末次熔炼时，开启电磁搅拌。
本发明的有益效果是：(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮的组织结构简单，是FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，其中，FCC相和BCC相的体积分数分别为59％和41％，显微硬度为423HV，密度为7.05g/cm3，室温下的屈服强度为674MPa，断裂强度为1425MPa，伸长率为19.3％。
本发明工艺简单，制备过程无污染，绿色安全，流动性好，成本较钛合金低，性能较钛合金叶轮和不锈钢叶轮更好，其抗断裂强度1425MPa远大于钛合金的抗断裂强度1300MPa，并且其流动性优于不锈钢叶轮的铸造流动性。
【附图说明】
图1为本发明实施例2中高熵合金(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1的XRD图谱；
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种轻量化高熵合金，轻量化高熵合金由铁、钴、镍、铝和碳组成，轻量化高熵合金成分的分子式为(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1，轻量化高熵合金中Fe、Co、Ni、Al、C的原子比为19.8：19.8：40.59：18.81：1。
本发明的轻量化(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金，它的组织结构简单，是FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，其中，FCC相和BCC相的体积分数分别为59％和41％，显微硬度为423HV，密度为7.05g/cm3，室温下的屈服强度为674MPa，断裂强度为1425MPa，伸长率为19.3％，是一种具有密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及抗疲劳的高熵合金，可以避免腐蚀以及在一定的工作环境内具有良好的性能，适用于两栖装甲车辆喷水推进装置。
本发明所制造的(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮密度为7.05g/cm3，具有密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及抗疲劳等优良的综合性能，可以替代现有材料作为两栖装甲车辆喷水推进装置的叶轮。
本发明还公开了一种轻量化高熵合金叶轮的制造工艺，包括以下步骤：
配料：根据(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金的原子比，(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金中Fe、Co、Ni、Al、C的原子比为19.8：19.8：40.59：18.81：1，选用上述纯金属元素及铁碳化合物，精确称量Fe原料、Co原料、Ni原料、Al原料和FeC原料备用，纯金属元素原料需纯度大于99.9％。
抽真空：将各元素原料放入真空电弧熔炼炉炉腔内部的第一容器中，本发明中选用坩埚熔炼池，并在炉腔的第二容器中预先放置金属块，即另一熔炼池放置纯金属块。将真空电弧熔炼炉抽真空至(2.5～3.5)*10-3Pa后，通入惰性气体，直至炉腔内压强为-0.6Pa。
具体的，打开循环水冷却系统，关紧熔炼炉炉门，打开机械泵、预抽阀、真空计。抽真空7～8.5Pa时，打开截止阀。抽真空至5～6.5Pa时，打开主抽阀，分子泵电源开关及启动按钮，关闭预抽阀。当炉腔内真空为(2.5～3.5)*10-3Pa时，关真空计、主抽阀以及分子泵的停止按钮，打开充气阀，向熔炼炉炉腔内通入纯度为99.99wt.％的惰性气体(例如氩气)，直到炉内压强为-0.6Pa时，关闭充气阀、截止阀和机械泵。
熔炼：采用电弧熔炼炉进行熔炼，纯金属块选为纯钛金属块，在熔炼试样前对金属块至少熔炼3次后，每次3～4min，待纯钛金属块冷却后观察表面颜色无变色，其表面呈现金属光泽，则继续执行后续步骤；否则，重复执行抽真空步骤并更换新的纯钛金属块，直至熔炼后的纯钛金属块表面呈现金属光泽，继续执行后续步骤。
确定炉腔内为惰性气体保护的真空状态后，开始熔炼原料。将第一容器中的原料翻转熔炼5～6次，在对原料进行翻转熔炼过程中，非首次和末次熔炼时，开启电磁搅拌，确保原料均匀冷却，每次熔炼时间为3～5min，关闭电源，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金铸锭，冷却至室温后开炉取样。
浇铸：将高熵合金铸锭翻转后放置于第一容器中，重复抽真空步骤，并将其熔炼至液态后注入叶轮模具中，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮，浇铸出的高熵合金叶轮缺陷少，比如孔洞、偏析等，比熔炼的少很多，且组织致密，性能好。
实施例1：
配料：选用纯金属元素及铁碳化合物，根据(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金的原子比，精确称量Fe原料、Co原料、Ni原料、Al原料，FeC原料，纯金属元素纯度大于99.9％，所取原料总重3Kg。
抽真空：将上述原料放入坩埚的熔炼池内，另一熔炼池放置纯钛块。
打开循环水冷却系统，关紧熔炼炉炉门，打开机械泵，预抽阀，真空计。抽真空8.3Pa时，打开截止阀。抽真空至6Pa时，打开主抽阀，分子泵电源开关及绿色启动按钮，关闭预抽阀。当炉腔内真空为3.0×10-3Pa时，关真空计、主抽阀以及分子泵的红色停止按钮，打开充气阀，向熔炼炉炉腔内通入纯度为99.99wt.％的氩气，直到炉内压强为-0.6Pa时，关闭充气阀、截止阀和机械泵。
熔炼：采用电弧熔炼炉进行熔炼，在熔炼试样前，反复熔炼3次纯钛块，每次3min，待金属块冷却后观察表面颜色无变色，确定炉腔内为惰性气体保护的真空状态后，开始熔炼原料。高熵合金试样反复翻转熔炼5次，每次熔炼持续5min，并开启电磁搅拌进行充分搅拌，第一次和最后一次熔炼不开启电磁搅拌，确保原料均匀冷却。熔炼结束后，关闭电源，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金铸锭。
浇铸：将熔炼好的(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金铸锭翻转放置于浇铸坩埚台内，重复抽真空步骤并更换新的纯钛金属块，随后将(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金熔至液态，将液态的(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金注入叶轮模具中，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮，浇铸出的高熵合金叶轮缺陷少，组织致密，性能好。
上述步骤所得叶轮的相组织为FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，显微硬度为418HV，密度为7.01g/cm3，室温下的屈服强度为665MPa，断裂强度为1396MPa，伸长率为19.9％，密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及高温性能良好等优良性能，可以满足叶轮所需性能。
实施例2：
配料：选用上述纯金属元素及铁碳化合物，根据(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金的原子比，精确称量Fe原料、Co原料、Ni原料、Al原料，FeC原料，所述纯金属元素纯度大于99.9％，所取原料总重6Kg。
抽真空：将上述原料放入坩埚的熔炼池内，另一熔炼池放置纯钛块。
打开循环水冷却系统，关紧熔炼炉炉门，打开机械泵，预抽阀，真空计。抽真空8.0Pa时，打开截止阀。抽真空至5Pa时，打开主抽阀，分子泵电源开关及绿色启动按钮，关闭预抽阀。当炉腔内真空为2.7×10﹣3Pa时，关真空计、主抽阀以及分子泵的红色停止按钮，打开充气阀，向熔炼炉炉腔内通入纯度为99.99wt.％的氩气，直到炉内压强为-0.6Pa时，关闭充气阀、截止阀和机械泵。
熔炼：采用电弧熔炼炉进行熔炼，在熔炼试样前，反复熔炼三次纯钛块，每次4min，待金属块冷却后观察表面颜色无变色，确定炉腔内为惰性气体保护的真空状态后，开始熔炼原料。高熵合金试样反复翻转熔炼6次，每次熔炼持续5min，并开启电磁搅拌进行充分搅拌，第一次和最后一次熔炼不开启电磁搅拌，确保原料均匀冷却。熔炼结束后，关闭电源，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金铸锭。
浇铸：将熔炼好的(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金铸锭翻转放置于浇铸坩埚台内，重复第二步抽真空，随后将(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金熔至液态，将液态的(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金注入叶轮模具中，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮，浇铸出的高熵合金叶轮缺陷少，组织致密，性能好。
上述步骤所得叶轮的相组织为FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，显微硬度为423HV，密度为7.05g/cm3，室温下的屈服强度为674MPa，断裂强度为1425MPa，伸长率为19.6％，密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及高温性能良好等优良性能，可以满足叶轮所需性能。
本发明制备的轻量化(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮，具有密度小、硬度高、强度大、抗腐蚀、耐磨以及抗疲劳等优良的综合性能。(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮的组织结构简单，如图1位实施例2中的高熵合金铸锭的XRD图谱，该图表明该高熵合金是FCC+BCC的完整且规则的层状双相共晶组织，其中，FCC相和BCC相的体积分数分别为59％和41％，(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1高熵合金叶轮的密度为7.05g/cm3，密度为7.05g/cm3，显微硬度为423HV，室温下的屈服强度为674MPa，断裂强度为1425MPa，伸长率为19.3％。

Claims (3)

1.轻量化高熵合金，其特征在于，所述轻量化高熵合金分子式为(Fe20Co20Ni41Al19)0.99C1；所述轻量化高熵合金的制备方法为：
配料：根据(Fe20Co20Ni41Al19) 0.99C1高熵合金的原子比，精确称量Fe原料、Co原料、Ni原料、Al原料和FeC原料备用，纯金属元素原料需纯度大于99.9%；
抽真空：将各元素原料放入真空电弧熔炼炉炉腔内部的第一容器中，所述第一容器为坩埚熔炼池，并在炉腔的第二容器中预先放置金属块；将真空电弧熔炼炉抽真空至（2.5~3.5）*10-3Pa后，通入惰性气体，直至炉腔内压强为-0.6Pa；
熔炼：采用电弧熔炼炉进行熔炼，纯金属块选为纯钛金属块，在熔炼试样前对金属块至少熔炼3次，每次3~4min，待纯钛金属块冷却后观察表面颜色无变色，其表面呈现金属光泽，则继续执行后续步骤；否则，重复执行抽真空步骤并更换新的纯钛金属块，直至熔炼后的纯钛金属块表面呈现金属光泽，继续执行后续步骤；
确定炉腔内为惰性气体保护的真空状态后；将第一容器中的原料翻转熔炼5~6次，在对原料进行翻转熔炼过程中，非首次和末次熔炼时，开启电磁搅拌，每次熔炼时间为3~5min，关闭电源，待原料冷却至室温时取样，得到(Fe20Co20Ni41Al19) 0.99C1高熵合金铸锭。
2.轻量化高熵合金叶轮的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
根据(Fe20Co20Ni41Al19) 0.99C1高熵合金的原子比，称量各元素原料备用； 具体为：
根据(Fe20Co20Ni41Al19) 0.99C1高熵合金的原子比，精确称量Fe原料、Co原料、Ni原料、Al原料和FeC原料备用，纯金属元素原料需纯度大于99.9%；
抽真空：将所述各元素原料放入真空电弧熔炼炉炉腔内的第一容器中，并在所述炉腔内的第二容器中放置纯金属块；将所述真空电弧熔炼炉抽真空至（2.5~3.5）*10-3Pa后，通入惰性气体，直至所述炉腔内压强为-0.6Pa；
熔炼：对所述纯金属块至少熔炼3次后，将所述第一容器中的原料翻转熔炼5~6次，每次熔炼时间为3~5min，得到高熵合金铸锭，冷却至室温后开炉取样；
所述纯金属块选为纯钛金属块，熔炼步骤中对所述纯钛金属块至少熔炼3次，当其表面呈现金属光泽，则继续执行后续步骤；否则，重复执行抽真空步骤并更换纯钛金属块进行熔炼，直至熔炼后的纯钛金属块表面呈现金属光泽，继续执行后续步骤；
浇铸：将所述高熵合金铸锭翻转后放置于所述第一容器中，重复抽真空步骤，并将其熔炼至液态后注入叶轮模具中，冷却至室温后即可得到轻量化高熵合金叶轮。
3.如权利要求2所述的轻量化高熵合金叶轮的制造工艺，其特征在于，在对所述原料进行翻转熔炼过程中，非首次和末次熔炼时，开启电磁搅拌。
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