CN111139391A

CN111139391A - 沉淀强化型高熵合金及其制备工艺

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Publication number: CN111139391A
Application number: CN202010027071.6A
Authority: CN
Inventors: 钟志宏; 汤蔚霞; 刘成友; 陈畅
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN111139391B

Abstract

本发明公开了沉淀强化型高熵合金及其制备工艺，是以Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块作为原料，通过真空感应熔炼、轧制及热处理工艺制备而成。本发明所得合金具有“球形Ni₃Al型金属间化合物在面心立方固溶体基体上共格析出”的特征组织，它利用纳米尺寸(Ni,Co)₃(Al,Ti,Nb)强化FeCoNiCr高熵合金基体，通过Ni₃Al型金属间化合物在基体上共格析出从而强化合金；本发明所得沉淀强化型高熵合金具有高强度、高塑性、微观组织结构可调等特点。

Description

沉淀强化型高熵合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及沉淀强化型高熵合金及其制备工艺，属于高熵合金领域。

背景技术

高强度、高塑性的高性能材料对于提高工程可靠性和能源效率，以及减少材料生产过程中的二氧化碳排放是非常必要的。然而，由于强度和塑性之间存在着相互排斥的关系，因此，开发出能大幅度提高强度和塑性的先进材料具有很大的挑战性。单相合金通常具有良好的塑性，但强度相对较低。纳米孪晶和转变诱导马氏体的引入提高了合金的强度，然而，从这些方法获得的屈服强度仍然有限，制约了其应用范围。

最近十几年发展起来的高熵合金，采用多种元素作为主元素，突破了传统合金的设计理念。相比于传统合金，高熵合金具有高混合熵、大的晶格畸变、缓慢扩散和固溶强化等特点，拥有高硬度、高强度、耐腐蚀和热稳定性等优异性能，其多元素合金系统的设计原则为这些担忧提供了一条有效的途径。

在所有当前研究的高熵合金体系中，最为普遍受到研究者们兴趣的是具有稳定的单相面心立方结构高熵合金。面心立方结构高熵合金在室温均表现出高的塑性，而其强度相对来说比较低。例如，FCC结构的CoCrFeNiMn高熵合金，其抗拉强度仅为400MPa。在不降低塑性或降低程度较小的情况下，如何提高面心立方结构高熵合金的硬度和强度，对高熵合金的实际应用具有重要的现实意义。本发明通过合金成分的设计以及一系列热处理条件的选择，从而可控的在FCC型的高熵合金系统中实现多组分金属间化合物的强化，不仅能够充分发挥金属间化合物的强化作用，而且能够保持较高的塑性变形稳定性，从而获得了强度和塑性良好的组合，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对目前FCC结构高熵合金普遍强度偏低的问题，本发明的目的在于提供沉淀强化型高熵合金及其制备工艺，所述高熵合金采用熔炼成型工艺、均匀化处理、冷轧、固溶处理以及时效处理制备而成，在FeCoNiCr高熵合金基体上析出了纳米尺寸的Ni₃Al型金属间化合物强化相，在不降低塑性或降低程度较小的情况下，在室温下显著提高了其屈服强度和拉伸强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

沉淀强化型高熵合金，其特点在于：所述高熵合金的化学式记为Fe_aCo_bNi_cCr_dAl_eTi_mNb_n，其中a、b、c、d、e、m、n为相应元素的原子百分数，20≤a≤25、20≤b≤25、20≤c≤25、20≤d≤25、2≤e≤4，1≤m≤2、1≤n≤2，且a+b+c+d+e+m+n＝100、e/(m+n)＝1～2。

进一步地，a、b、c、d、e、m和n的取值优选为：22≤a≤24、22≤b≤24、22≤c≤24、22≤d≤24、2.5≤e≤3.5，1≤m≤1.5、1≤n≤1.5。

本发明所述沉淀强化型高熵合金的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1、以Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块作为原料，在真空感应熔炼炉中加热至1700℃～1750℃并保温20～25分钟，然后倾铸在钢模中进行冷却，得到高熵合金铸锭；

步骤2、将所述高熵合金铸锭置于加热炉中进行均匀化处理；然后对均匀化后的高熵合金进行冷加工处理；最后将冷加工后的高熵合金置于加热炉中进行固溶处理和时效处理，即获得沉淀强化型高熵合金。

进一步地，步骤1中，所述的Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块的纯度不低于99.9％。

进一步地，步骤2中，所述均匀化处理的方法为：将高熵合金铸锭置于1200℃～1250℃的加热炉中进行均匀化处理，保温12～24小时，随后从炉中取出并放入水中冷却。

进一步地，步骤2中，所述冷加工处理的方法为：将均匀化后的高熵合金进行冷轧，轧制总变形量为30～90％。

进一步地，步骤2中，所述固溶处理的方法为：将冷加工后的高熵合金置于800℃～1000℃的加热炉中保温2小时，随后从炉中取出并放入水中冷却，使其晶粒大小控制在10～100μm。

进一步地，步骤2中，所述时效处理的方法为：将固溶后的高熵合金置于700℃～800℃的加热炉中保温1～8小时，随后从炉中取出空冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明所得高熵合金具有高强度和高塑性等特点，具有较高的工程应用价值。

2、本发明所得高熵合金组织结构简单，在FCC高熵基体上析出大量与基体共格的纳米尺寸Ni₃Al型金属间化合物强化相，显著提升高熵合金的强度的同时保持了合金的高塑性。

3、本发明所得高熵合金可以通过控制固溶处理及时效处理的温度和时间等参数改变晶粒尺寸以及析出相的尺寸，进而实现对合金的力学性能的调控，通过热处理可获得不同组织结构和性能的高熵合金。

附图说明

图1为实施例3(1000℃/2h+800℃/8h)、实施例4(800℃/2h+800℃/8h)、实施例5(900℃/2h+800℃/8h)中制备的高熵合金的X射线衍射(XRD)谱图的对比图，从图中可以看出所制备的高熵合金均由FCC基体与基体共格的Ni₃Al型金属间化合物强化相所组成。

图2(a)为实施例5(900℃/2h+800℃/8h)制备的高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)图，图2(b)、(c)为实施例3(1000℃/2h+800℃/8h)中制备的高熵合金在不同放大倍数下的扫描电子显微镜(SEM)图。从图中可以看出固溶温度决定了晶粒尺寸的最终大小，在大的放大倍数下，可以清晰看见析出相均匀的分布在FCC基体上。

图3为对比例1(1000℃/2h)、实施例1(1000℃/2h+700℃/8h)、实施例2(1000℃/2h+750℃/8h)、实施例3(1000℃/2h+800℃/8h)中制备的高熵合金的拉伸应力-应变曲线对比图。

图4为对比例1(1000℃/2h)、实施例3(1000℃/2h+800℃/8h)、实施例4(800℃/2h+800℃/8h)、实施例5(900℃/2h+800℃/8h)中制备的高熵合金的拉伸应力-应变曲线对比图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的分析说明。

以下实施例中，所用Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb的金属块的纯度不低于99.9％，体积不大于1cm³。

对比例

(1)配料：利用砂纸和砂轮机去除Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块表面的氧化皮等杂质，再依次使用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗，得到金属单质。按照化学式中的计量比，准确称量Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属单质，其中a＝23.75、b＝23.75、c＝23.75、d＝23.75、e＝3、m＝1、n＝1，原料总质量为2.5kg。

(2)熔炼：将洁净的Fe、Co、Ni、Cr金属单质在真空感应熔炼炉中加热至1700℃并保温10分钟，随后加入Ti和Nb单质保温5分钟，最后加入Al，保温5分钟，然后将钢液倾铸在钢模中进行冷却，得到高熵合金铸锭。

(3)将高熵合金铸锭表面机械打磨后，置于1200℃的加热炉中进行均匀化处理，保温12小时，随后从炉中取出并迅速放入水中冷却。

(4)将均匀化后的高熵合金进行室温轧制变形，采用多道次轧制，每次压下量为5％，总变形量为60％，得到轧制态高熵合金。

(5)将轧制态高熵合金置于1000℃的加热炉中进行固溶处理，保温2小时，随后从炉中取出并迅速放入水中冷却，得到固溶态高熵合金。

经测试，本对比例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为71μm、308MPa、693.7MPa、74.9％。

实施例1

本实施例通过真空感应熔炼及热处理技术制备沉淀强化型高熵合金，制备工艺如下：

(5)将轧制态高熵合金置于1000℃的加热炉中进行固溶处理，保温2小时，随后从炉中取出迅速放入水中冷却，得到固溶态高熵合金。

(6)将固溶态高熵合金置于700℃的加热炉中进行时效处理，保温8小时，随后从炉中取出空冷，即得沉淀强化型高熵合金。

经测试，本实施例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为72.5μm、11nm、605.5MPa、1034MPa、64.28％。

实施例2

(1)配料：利用砂纸和砂轮机去除Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块表面的氧化皮等杂质，再依次使用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗，得到金属单质。按照化学式中的计量比，准确称量Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属单质，其中a＝23.75、b＝23.75、c＝23.75、d＝23.75、e＝3、m＝1、n＝1，原料总质量为2.5kg；

(6)将固溶态高熵合金置于750℃的加热炉中进行时效处理，保温8小时，随后从炉中取出空冷，即得沉淀强化型高熵合金。

经测试，本实施例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为75.09μm、16nm、593MPa、995MPa、59.1％。

实施例3

(6)将固溶态高熵合金置于800℃的加热炉中进行时效处理，保温8小时，随后从炉中取出空冷，即得沉淀强化型高熵合金。

经测试，本实施例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为71μm、26nm、481MPa、833.7MPa、66.2％。

实施例4

(5)将轧制态高熵合金置于800℃的加热炉中进行固溶处理，保温2小时，随后从炉中取出迅速放入水中冷却，得到固溶态高熵合金。

经测试，本实施例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为13μm、29nm、960MPa、1140MPa、35.1％。

实施例5

(5)将轧制态高熵合金置于900℃的加热炉中进行固溶处理，保温2小时，随后从炉中取出迅速放入水中冷却，得到固溶态高熵合金。

经测试，本实施例所得到的高熵合金的晶粒尺寸、析出相尺寸、屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为36μm、35nm、558MPa、911.5MPa、57.8％。

各实施例结果总结：

本发明利用真空感应熔炼、轧制及热处理技术，制备了具有良好综合力学性能的沉淀强化高熵合金。通过控制固溶和时效工艺条件来调控晶粒大小和析出相的尺寸和密度，起到沉淀强化的作用，提高了材料综合力学性能。室温下，800℃时效样品的屈服强度达到了960MPa，抗拉强度为1140MPa，断后伸长率大于35％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.沉淀强化型高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的化学式记为Fe_aCo_bNi_cCr_dAl_eTi_mNb_n，其中a、b、c、d、e、m、n为相应元素的原子百分数，20≤a≤25、20≤b≤25、20≤c≤25、20≤d≤25、2≤e≤4，1≤m≤2、1≤n≤2，且a+b+c+d+e+m+n＝100、e/(m+n)＝1～2。

2.一种权利要求1所述的沉淀强化型高熵合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于：步骤1中，所述的Fe、Co、Ni、Cr、Al、Ti和Nb金属块的纯度皆不低于99.9％。

4.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于：步骤2中，所述均匀化处理的方法为：将高熵合金铸锭置于1200℃～1250℃的加热炉中进行均匀化处理，保温12～24小时，随后从炉中取出并放入水中冷却。

5.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于：步骤2中，所述冷加工处理的方法为：将均匀化后的高熵合金进行冷轧，轧制总变形量为30～90％。

6.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于：步骤2中，所述固溶处理的方法为：将冷加工后的高熵合金置于800℃～1000℃的加热炉中保温2小时，随后从炉中取出并放入水中冷却，使其晶粒大小控制在10～100μm。

7.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于：步骤2中，所述时效处理的方法为：将固溶后的高熵合金置于700℃～800℃的加热炉中保温1～8小时，随后从炉中取出空冷。