CN110408866B - 高熵合金FeCoNiCuBYx及克服稀土元素偏聚的时效处理方法 - Google Patents

高熵合金FeCoNiCuBYx及克服稀土元素偏聚的时效处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种高熵合金FeCoNiCuBYx及克服稀土元素偏聚的时效处理方法，将制备含有稀土元素的高熵合金FeCoNiCuBYx放入微波烧结炉中，采用微波烧结工艺热处理；而后采用液氮深冷箱进行可控式深冷处理。利用微波的特性，采用热处理工艺使稀土钇能够分散在晶界中，而深冷处理则加强了其微波热处理后原子间相结合，将扩散后的稀土Y稳定在晶界内，提高材料的致密性。经过数个周期的循环过程进一步提高稀土钇与富铜相相结合的稳定性。本发明不仅有效解决FeCoNiCuBYx高熵合金中稀土元素Y偏聚问题，而且还能够避免快速冷却过程导致的材料冲击性能过大，造成开裂等问题；具有可控性高、安全性好等优点。

Description

高熵合金FeCoNiCuBYx及克服稀土元素偏聚的时效处理方法
技术领域
本发明属于材料冶金及热处理技术领域，具体涉及到高熵合金FeCoNiCuBYx及克服稀土元素偏聚的时效处理方法。
背景技术
叶均蔚等人在CuCoNiCrAl0.5Fe合金系中添加B元素，研究发现，铸态CuCoNiCrAl0.5Fe Bx(x＝0-1.0)合金在硼含量较低时由简单面心立方(FCC)固溶体相和不同含量的Fe、Cr硼化物析出相组成，合金中的硼化物析出相含量(体积分数)也随硼含量的增加而增加，韧性有所降低，合金硬度、耐磨性以及高温强度由于着硼化物析出相的形成显著增加，而采用自耗真空电弧炉熔炼FeCoNiMnAl0.3Cu0.7B0.3高熵合金，加入0.1摩尔比的稀土钇，含Y相偏聚在枝晶间，能细化树枝晶，抑制析出相的产生，提高合金的强度和塑性。
因此，在制备FeCoNiCuBYx高熵合金中，在少量加入稀土元素钇后，能够降低硼化物析出相的形成，但当加入的稀土元素钇按等摩尔比在0.6-1后，会在晶界内产生局部偏聚的问题，这种现象会影响材料的综合性能。
鉴于此，为了降低稀土钇偏聚成团而造成的材料综合性能的变差，本发明提出了降低稀土元素Y在高熵合金FeCoNiCuB偏聚的时效处理方法。
发明内容
本发明针对含稀土在高熵合金FeCoNiCuBYx局部偏聚问题，提出了一种时效处理方法，采用微波烧结热处理工艺与可控式缓慢深冷处理的循环处理过程，进行时效处理，以解决在高熵合金材料中稀土Y偏聚成团的问题，同时还提供了一种克服稀土元素偏聚的高熵合金 FeCoNiCuBYx。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案：
一种克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，包括如下步骤：
(1)将已制备的高熵合金FeCoNiCuBYx放入微波烧结炉中，采用微波热处理；
(2)将微波热处理后的样品放入液氮深冷箱内，采用可控式缓慢深冷处理。
优选地，将步骤(1)和步骤(2)进行重复冷热循环处理数次。
优选地，步骤(1)中所述的FeCoNiCuBYx高熵合金为采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型，其铁、钴、镍、铜、硼和钇的摩尔比为1：1：1：1：1：0.6-1。
优选地，步骤(1)所述的微波热处理，是在惰性气体保护环境下进行，微波热处理的温度为910-940℃，保温8-10h，随炉冷却。
优选地，微波热处理时，先以40-50℃/min的加热速度加热到600℃预热2分钟，然后以 90-100℃/min快速加热到910-940℃。
优选地，微波热处理时，保护气体为氮气。
优选地，步骤(2)所述的可控式缓慢深冷处理，用深冷箱控制液氮罐内液氮的流入速度，以5-10℃/min的降温速率降至-196℃后，静置45-50h，再以5-10℃/min的升温速率升至25℃。
优选地，冷热循环处理的重复次数为4次，并在步骤(2)后将其表面快速擦拭干净后，直接进行步骤(1)过程。
所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法处理的FeCoNiCuBYx高熵合金。
本发明主要基于稀土在高熵合金FeCoNiCuBYx(x＝0.6-1)中稀土元素偏聚的问题，为了将稀土元素Y与B元素相结合，需要稀土元素能够分散在晶界内，所以通过在含稀土高熵合金特有的冷热处理方法，能够在不降低材料性能的基础上，最大程度的解决高含量稀土元素钇在晶界间的偏聚过程，从而进一步提高材料的综合性能。
本发明的主要优势：
(1)相较于用微波烧结炉制备的高熵合金，本发明在稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx通过微波马弗炉1000℃快速烧结成型后，重新放入微波烧结炉中，进行热处理过程，比单一用微波烧结炉制备母材，或者是传统的箱式电阻炉进行热处理工艺所不同，采用微波马费炉利用微波烧结的具有烧结机理特殊、对粉末冶金的较快加热速度可以促进间隙烧结过程，缩短达到保温所需的时间，而在利用微波对高熵合金内不同元素的吸收率不同，控制进行较长时间的微波保温过程，使稀土Y能够扩散到晶界内，进一步控制稀土钇在高熵合金 FeCoNiCuBYx中富铜相与贫铜相间的偏聚过程。
(2)相较于快速冷却处理，本发明采用了可控式缓慢深冷处理，能够避免快速冷却过程导致的材料冲击性能过大，造成开裂等问题，同时利用深冷处理的特点，最大程度的促进原子间相结合，将扩散后的稀土Y稳定在晶界内，提高材料的致密性。
(3)相比于单一的热处理工艺或是深冷处理，本发明是将微波烧结热处理和可控式缓慢深冷处理相结合，进行一个循环处理过程，具有在降低稀土Y偏聚的同时，最大化提高相分布均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例1处理的FeCoNiCuBY0.6高熵合金的SEM图。
图2为实施例2处理的FeCoNiCuBY0.8熵合金的SEM图。
图3为实施例3处理的FeCoNiCuBY高熵合金的SEM图。
图4为对比例处理的FeCoNiCuBY高熵合金的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉纯度为99.85％的粉末，稀土钇粉纯度在99.99％，制备好的母材平均粒径在10μm，避免粒径过大导致材料的性能降低，铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉、钇粉按照等摩尔比1：1：1：1：1：0.6；采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型的高熵合金FeCoNiCuBY0.6母材。将母材放入唐山任氏巨源微波仪器公司生产的WBMW-X4型微波烧结炉内，将炉内抽真空后充入氮气；采用微波烧结40℃/min加热到600℃下预热2分钟，然后以90℃/min快速加热到910℃下，微波保温8h，随炉冷却；将冷却完毕的样品迅速放入液氮深冷箱内，调控程序为以5℃/min的降温速率降至-196℃后，静置45h，再以5℃/min的升温速率升至25℃；将处理完的样品快速擦干表面重新放入微波烧结炉内；采用以上相同参数循环处理4次。
经过本实施例的时效处理后的高熵合金FeCoNiCuBY0.6的SEM图如图1所示，由图中可以看出，箭头所指区域为含稀土相，其表面无明显的白色稀土钇颗粒物，经过本方法处理后，大颗粒稀土钇结合富铜相和贫铜相中硼元素，形成BY相存在于箭头所指区域。
实施例2
铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉纯度为99.85％的粉末，稀土钇粉纯度在99.99％，制备好的母材平均粒径在10μm，避免粒径过大导致材料的性能降低，铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉、钇粉按照等摩尔比1：1：1：1：1：0.8；采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型的高熵合金FeCoNiCuBY0.8母材，其中将母材放入唐山任氏巨源微波仪器公司生产的WBMW-X4型微波烧结炉内，将炉内抽真空后充入氮气；微波烧结45℃/min加热到600℃下预热2分钟，然后以95℃/min快速加热到920℃下，微波保温9h，随炉冷却；将冷却完毕的样品迅速放入液氮深冷箱内，调控程序为以7℃/min的降温速率降至-196℃后，静置47h，再以7℃/min的升温速率升至25℃；将处理完的样品快速擦干表面重新放入微波烧结炉内；采用以上相同参数循环处理4次。
经过本实施例的时效处理后的高熵合金FeCoNiCuBY0.8的SEM图如图2所示，由图中可以看出，由图中可以看出，箭头所指区域为含稀土相，其表面无明显的白色稀土钇颗粒物，由于比实施例1加入的稀土钇多，所以在含稀土晶界间会有泛白色的稀土钇分布较多，并但最终没有呈大颗粒团聚。
实施例3
铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉纯度为99.85％的粉末，稀土钇粉纯度在99.99％，制备好的母材平均粒径在10μm，避免粒径过大导致材料的性能降低，铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉、钇粉按照等摩尔比1：1：1：1：1：1；采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型的高熵合金FeCoNiCuBY母材，将母材放入唐山任氏巨源微波仪器公司生产的WBMW-X4型微波烧结炉内，将炉内抽真空后充入氮气；采用微波烧结50℃/min加热到600℃下预热2分钟，然后以100℃/min快速加热到940℃下，微波保温10h，随炉冷却；将冷却完毕的样品迅速放入液氮深冷箱内，调控程序为以10℃/min的降温速率降至-196℃后，静置50h，再以10℃/min 的升温速率升至25℃；将处理完的样品快速擦干表面重新放入微波烧结炉内；采用以上相同参数循环处理4次。
经过本实施例的时效处理后的高熵合金FeCoNiCuBY的SEM图如图3所示，由图中可以看出，其表面无明显的白色稀土钇颗粒物，但由于加入的稀土钇与硼元素比例相同，而硼元素与铁、钴、镍也会结合，则最大量稀土钇加入后，除结合硼元素外，仍会有大量呈亮白色附着于晶界中偏聚，但最终无明显呈大颗粒团聚现象。
对比例
为说明本发明方法具有的优势效果，以箱式电阻炉热处理为对比例，具体采用普通的箱式电阻炉热处理方式，采用20℃/min的升温速率直接达到预定温度，并且不进行循环处理，其它参数均保持一致性。
铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉纯度为99.85％的粉末，稀土钇粉纯度在99.99％，制备好的母材平均粒径在10μm，避免粒径过大导致材料的性能降低，铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、硼粉、钇粉按照等摩尔比1：1：1：1：1：1；采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型的高熵合金FeCoNiCuBY母材，其中将母材放入箱式电阻炉内；采用烧结20℃/min加热到940℃下，保温10h，随炉冷却；将冷却完毕的样品迅速放入液氮深冷箱内，调控程序为以10℃/min的降温速率降至-196℃后，静置50h，再以10℃/min的升温速率升至25℃。
经过对比例的时效处理后的高熵合金FeCoNiCuBY的SEM图如图4所示，由图中可以看出，箭头所指为偏聚稀土钇颗粒，呈现出大颗粒状的团聚物。由此说明，采用一般箱式电阻炉，且不采用循环处理方式并不能解决稀土钇偏聚的问题。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，包括如下步骤：
(1)将高熵合金FeCoNiCuBYx放入微波烧结炉中，采用微波热处理；其中，微波热处理的温度为910-940℃，微波热处理的保温时间为8-10h；高熵合金FeCoNiCuBYx中铁、钴、镍、铜、硼和钇的摩尔比为1：1：1：1：1：0.6-1；
(2)将微波热处理后的高熵合金放入液氮深冷箱内，采用可控式缓慢深冷处理，所述的可控式缓慢深冷处理，用深冷箱控制液氮罐内液氮的流入速度，以5-10℃/min的降温速率降至-196℃后，静置45-50h，再以5-10℃/min的升温速率升至25℃；
将步骤(1)和步骤(2)进行重复冷热循环处理数次。
2.根据权利要求1所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，其特征在于：步骤(1)中所述的FeCoNiCuBYx高熵合金为采用微波马弗炉1000℃快速烧结成型。
3.根据权利要求1所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，其特征在于：步骤(1)所述的微波热处理，是在惰性气体保护环境下进行，随炉冷却。
4.根据权利要求3所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，其特征在于：微波热处理时，先以40-50℃/min的加热速度加热到600℃预热2分钟，然后以90-100℃/min快速加热到910-940℃。
5.根据权利要求3所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，其特征在于：微波热处理时，保护气体为氮气。
6.根据权利要求1所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法，其特征在于：冷热循环处理的重复次数为4次，并在步骤(2)后将其表面快速擦拭干净后，直接进行步骤(1)过程。
7.权利要求1-6中任一项所述的克服稀土元素在高熵合金FeCoNiCuBYx偏聚的时效处理方法处理的FeCoNiCuBYx高熵合金。
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