CN111057960A - 一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法。其步骤为：制备电弧熔炼试样；装样：将压坯试样装入真空电弧熔炼炉；抽真空；熔炼：引弧，调整合适电流熔炼试样，并翻转试样多次熔炼；出炉：在电弧炉中冷却，取出即可得TiC增强铁基高熵合金复合材料。本发明采用电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料，所得复合材料致密性良好，与纯铁和原高熵合金相比强度进一步提高。该方法节能省时，操作简单，安全可靠，环境友好。

Description

一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种TiC增强铁基高熵合金复合材料的电弧熔炼制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料是指采用电弧高温加热混合好的试样，该方法制备的复合材料无气孔，组织致密性非常良好，环保无污染，操作简单稳定性良好，同时TiC作为增强体分布均匀，基体结合良好，高熵合金均匀分散于基体中，提高基体性能。高熵合金因其良好的硬度，耐磨性，抗高温软化能力而受到广泛关注，目前高熵合金还可作为复合材料的基体使用，而高熵合金作为增强体却很少有报道，尤其是用来增强铁基复合材料。金属与金属之间的互溶与扩散相对容易，且高熵合金结构简单，界面结合更好。TiC作为陶瓷相颗粒增强铁基，因其极高的强度而大幅度提高材料性能，并且是内生性增强相，界面结合非常良好。随着高熵合金的加入和TiC颗粒生成，铁基体性能得到大幅度提高。
文献一采用了电弧熔炼的方法制备了五主元AlFeCrCoNi高熵合金，用线切割将高熵合金切成薄片并球磨成细小颗粒，随后采用烧结工艺制备了Cu－20wt.%AlFeCrCoNi复合材料，工艺复杂，耗时较长，强度提高不是很大（魏婷，西安工业大学，2015）。文献二采用无压烧结、热压烧结、熔融浸渗等不同工艺路线制备了TiC增强Fe基均质复合材料、梯度复合材料及双连续相复合材料，这种方法局限于仅仅采用TiC来制备铁基复合材料，陶瓷相与金属基体的原子尺寸差较大，界面结合不是很好，并且烧结存在致密性差的问题（郑涌，北京交通大学，2017）。迄今为止还没有内生性TiC和高熵合金共同增强铁基复合材料的公开研究报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法，该工艺操作简单、安全可靠、节能省时、环境友好，细小TiC增强颗粒为原位反应生成，表面无污染、界面结合良好。
实现本发明目的技术解决方案为：一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法，包括以下步骤：
第一步、将高纯的Fe、Co、Ni、Cu粉末等摩尔比称取，C、Ti粉末等摩尔比称取，混合后球磨，其中，各种粉末具体质量按照目标复合材料所需增强体体积分数调整；
第二步、将球磨后的粉体干燥，挤压成坯样，将坯样与高纯铁块进行电弧熔炼；
第三步、熔炼结束待冷却后，放气即可取出铁基高熵合金复合材料。
优选的，第一步中，球磨中球粉质量比为5：1，球磨转速为250~300p.r.m，球磨时间为4~8h。
优选的，第一步中，Fe、Co、Ni、Cu粉末生成的高熵合金占复合材料体积分数10~30vol.%，C、Ti粉末生成的TiC占复合材料体积分数5~15vol.%。
优选的，第二步中，所述的干燥温度为100~120℃，干燥时间为1小时。
优选的，第二步中，电弧熔炼时抽真空至10－4~10－3Pa。
优选的，第二步中，挤压成坯样时挤压压力为120~150MPa。
优选的，第二步中，高纯铁块质量是根据高熵合金和TiC的体积分数计算而得，即将坯样与55~85vol.%的高纯铁块进行电弧熔炼。
与现有技术相比，本发明的显著优点是：
（1）采用电弧熔炼制备复合材料工艺操作简单、安全可靠、节能省时、环境友好。
（2）电弧熔炼加热升温快冷却也快，可以抑制了组织粗化，显著细化组织
（3）高熵合金具有晶格畸变效应，加入一定体积分数的高熵合金可以阻碍材料由于晶格移动发生的应力松弛变形。
（4）同时加入陶瓷增强相和高熵合金一起增强铁基体，性能改变明显，迄今为止未有这样增强铁基的复合材料的公开研究报道。
附图说明
图1 是本发明实施例1 的5%TiC增强铁基高熵合金复合材料的XRD 衍射图像。
图2 是本发明实施例1 的5%TiC增强铁基高熵合金复合材料的SEM 扫描照片。
图3是本发明实施例1 的5%TiC增强铁基高熵合金复合材料SEM照片a、b两处的EDS能谱图（图3a为a处的EDS能谱，图3b为b处的EDS能谱）。
图4是本发明实施例2的10%TiC增强铁基高熵合金复合材料的XRD衍射图像。
图5是本发明实施例2的10%TiC增强铁基高熵合金复合材料的SEM扫描图片。
具体实施方式
本发明所述的电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法，具体包括以下步骤：
（1）制反应试样，将Fe、Co、Ni、Cu、Ti、C粉混合后球磨，其中Fe、Co、Ni、Cu粉等摩尔比称取，Ti和C粉等摩尔比称取并反应生成TiC作为增强相。设TiC与铁基体的体积分数比为a，高熵合金与铁基体的体积分数比为b，则TiC、高熵合金和铁基体的质量比为1.596a:1.097b:1。球粉质量比为5：1，球磨转速为250~300p.r.m，球磨时间为4~8h。再将球磨后的粉体干燥1h，然后挤压成坯，压坯时使用的压力为120~150Mpa。
（2）装样抽真空：将压坯试样和高纯铁块装入半球形铜坩埚内，缓慢下降电极，透过顶部监视孔观察下降过程以防电极撞上坩埚，抽真空到10-4~10-3Pa左右。
（3）反应合成与保温：调节控制面板电流来获得合适的功率，通过监视孔观察试样在加热过程中的变化情况，观察到压坯与铁块体积收缩至处于熔融状态后保温半分钟。正反熔炼三次使试样均匀。
（4）出炉并打磨：待反应试样在坩埚内冷却，取出即得TiC增强铁基高熵合金复合材料，用砂轮机打磨去掉表面少量氧化皮。
实施例1： 电弧熔炼5%TiC增强铁基高熵合金复合材料
（1）制备反应试样：Fe粉、Co粉、Ni粉、Cu粉等摩尔比，计算总重20克的样品，则称取相应体积分数的Ti粉、C粉和高纯铁块，Ti和C反应生成TiC占体积分数5%，高熵合金占20%体积分数。球粉质量比为5：1，球磨转速为250p.r.m，球磨时间为4h。再将球磨后的粉体干燥1h，然后挤压成坯，压坯时使用的压力为120Mpa。
（2）装样抽真空：将压坯试样和高纯铁块装入半球形铜坩埚内，抽真空到10-4~10- 3Pa左右。
（3）反应合成与保温：调节控制面板电流来获得合适的功率，通过监视孔观察试样在加热过程中的变化情况，观察到压坯与铁块体积收缩至处于熔融状态后保温半分钟。正反熔炼三次使试样均匀。
（4）出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到5%TiC增强铁基高熵合金复合材料。
图1为电弧熔炼制备的5%TiC增强铁基高熵合金复合材料的XRD 衍射图，可以看出试样里产生了TiC增强相，高熵合金固溶到铁相里面，形成BCC的晶体结构。图2显示的是试样在4000倍放大倍数下的SEM图像，可以看出试样致密性良好，无孔洞存在。结合图3的EDS能谱可知，SEM图像中黑色区域是生成的内生性TiC增强相，白色的基体区域是固溶有高熵合金元素的铁相。
实施例2：电弧熔炼10%TiC增强铁基高熵合金复合材料
（1）制备反应试样：Fe粉、Co粉、Ni粉、Cu粉等摩尔比，计算总重20克的样品，则称取相应体积分数的Ti粉、C粉和高纯铁块使高熵合金占20vol.%，TiC占10vol.%。球粉质量比为5：1，球磨转速为280p.r.m，球磨时间为4h。再将球磨后的粉体干燥1h，然后挤压成坯，压坯时使用的压力为150Mpa。
（2）装样抽真空：将压坯试样和高纯铁块装入半球形铜坩埚内，抽真空到10-4~10- 3Pa左右。
（3）反应合成与保温：调节控制面板电流来获得合适的功率，通过监视孔观察试样在加热过程中的变化情况，观察到压坯与铁块体积收缩至处于熔融状态后保温半分钟。正反熔炼三次使试样均匀。
（4）出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到10%TiC增强铁基高熵合金复合材料。
图4是10%TiC增强铁基高熵合金复合材料的XRD衍射图像，随着Ti粉和C粉含量的增加，试样中产生了明显较多的TiC增强相，峰强有明显的提高，除此之外还是形成了简单的BCC晶体结构。图5是试样在2000放大倍数下的SEM图像，可见试样中形成了均匀弥散的TiC增强相，增强相颗粒细小，试样致密，界面结合良好。

Claims (4)

1.一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、将高纯的Fe、Co、Ni、Cu粉末等摩尔比称取，C、Ti粉末等摩尔比称取，混合后球磨，其中，各种粉末具体质量按照目标复合材料所需增强体体积分数调整；
第二步、将球磨后的粉体干燥，挤压成坯样，将坯样与高纯铁块进行电弧熔炼；
第三步、熔炼结束待冷却后，放气即可取出铁基高熵合金复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，第一步中，球粉质量比为5：1，球磨转速为250~300p.r.m，球磨时间为4~8h。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，第一步中，Fe、Co、Ni、Cu粉末生成的高熵合金占复合材料体积分数10~30vol.%，C、Ti粉末生成的TiC占复合材料体积分数5~15vol.%。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，第二步中，所述的干燥温度为100~120℃，干燥时间为1小时，电弧熔炼时抽真空至10－4~10－3Pa，挤压成坯样时挤压压力为120~150MPa。
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