CN111235454B - 一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金及其制备方法。高熵合金中各元素原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝0.3‑0.7:2:1:1:1。制备方法：(1)按比例取原料，清洗、烘干；(2)原料放入非自耗电弧熔炼炉，抽真空再加保护气；(3)先熔炼预先置于炉中的Ti，再熔炼原料，铜模吸铸成合金锭；(4)合金锭固溶、水淬，轧制变形；(5)变形后的合金锭退火，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金。本发明通过加入一定量的Co元素提高了高熵合金的强度，提高Co元素的含量，使合金具有良好的热稳定性；通过加入一定量的Al元素调节高熵合金的塑性，制得高熵合金具有良好的强度和塑性。

Description

一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金及其制备方法。
背景技术
一直以来，金属材料的设计都是以—种元素或者两种元素作为合金的主要元素，然后针对某一性能添加一种或者多种微量元素进行改性。2004年，Brain Cantor等学者以等原子比多组元合金理念成功设计了FeCrMnNiCo、FeCrMnNiCoNb、FeCrMnNiCoGe、FeCrMnNiCoCu、FeCrMnNiCoTi和FeCrMnNiCoV六种合金，并发现这些合金并没有产生复杂结构相，反而由面心立方(FCC)或者面心立方加体心立方(BCC)的简单结构相组成。同一年，中国台湾清华大学叶均蔚教授等学者提出了一种全新的合金设计理念，将此类合金命名为高熵合金，并通过CuCoNiCrAlxFe这一合金系阐述了此类合金的理论设计依据、微观组织特征以及优异的力学性能。此外，众多的研究结果也表明，通过合理的成分设计，高熵合金不仅可以避免大量金属间化合物或复杂结构相的生成，而且会形成均匀的单一FCC、BCC、密排六方结构(HCP)的无序固溶体相。也有一些研究发现了由完全非晶态、完全拓扑密排相组成的高熵合金。
目前，作为高性能结构材料研发的高熵合金尚未工业化应用，还处于研究阶段。主要的原因就是目前大部分的高熵合金和传统合金相比不具有突出的性能优势，并难以平衡塑性与强度这对矛盾体，具有FCC固溶体结构的高熵合金具有较高的拉伸延伸率但强度较低，而具有BCC固溶体结构的高熵合金具有较高的强度但是拉伸时延伸率较低。另一方面，大部分高熵合金的成分设计局限于等原子比，限制了高熵合金成分范围的扩大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金及其制备方法，该高熵合金强度高、热稳定性好、塑性好。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金，其特征在于，该高熵合金中各元素的原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝(0.3-0.7):2:1:1:1。
一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按合金成分配比称取原料，然后超声清洗、烘干；
(2)将原料置于水冷Cu坩埚中放入非自耗电弧熔炼炉内，然后抽真空再加入保护气体；
(3)先将预先置于炉中的纯Ti块熔炼，再将原料熔炼，用Cu模吸铸，得合金锭；
(4)将合金锭真空固溶，水淬，然后轧制变形；
(5)对轧制变形后的合金锭进行真空退火处理，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金。
进一步，步骤(2)中所述抽真空至3×10-3Pa，所述保护气体为氩气、氮气、氦气中任一种，且加入保护气体后控制炉内压强为0.05-0.07MPa。
进一步，步骤(3)中所述纯Ti块熔炼次数为2-5次，进一步去除炉中残余的氧气，所述原料的熔炼次数为5-8次。
进一步，步骤(4)中所述固溶温度为1000-1200℃，固溶时间为18-24小时，所述轧制变形在600-800℃下进行，变形量为60-90％。
进一步，步骤(5)中所述退火温度为800-1000℃，退火时间为1-2小时。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过非等原子的合金设计，用等原子比的Co取代了常见高熵合金中的Ni元素，进一步提高了高熵合金的强度，通过提高合金基体中Co元素的含量，使合金具有良好的高温热稳定性，这是由于含Ni和Al元素的高熵合金的强化机制在很大程度上来自于合金中所形成的NiAl显微结构，而NiAl显微结构在约1038℃会分解进入合金基体，从而失去强化效应，导致合金强度降低，而Co元素所形成的强化相具有较高的热稳定性，在高温下不易溶解进入合金基体，扩散活动性小，确保合金具有良好的高温热稳定性；
(2)本发明通过加入一定量的Al元素，在高熵合金中引入FCC+BCC双相固溶体，使高熵合金具有良好的强度和塑性；通过改变Al元素含量，可以方便地改变高熵合金中FCC相和BCC相固溶体的相对含量，实现强度和塑性的调节。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细阐述：
实施例1
一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金，其特征在于，该高熵合金中各元素的原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝0.3:2:1:1:1。其制备方法为：(1)按合金成分配比称取原料放置在酒精中，然后超声清洗、烘干；(2)将原材料置于水冷Cu坩埚中然后放入非自耗电弧熔炼炉内，抽真空至3×10-3Pa，再向炉中加入氮气至0.05MPa；(3)先将预先置于炉中的纯Ti块熔炼2次，进一步去除炉中残余的氧气，再将原料熔炼5次，然后用Cu模吸铸，得到合金锭；(4)将合金锭在1000℃下进行24小时真空固溶，水淬，然后
600℃下轧制变形，变形量为90％；(5)在800℃下对轧制变形后的合金锭进行1小时的真空退火处理，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金。
该非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金中，FCC相和BCC相的体积分数分别为97％和3％，热变形后合金的室温拉伸屈服强度为521MPa，断裂强度为1342MPa，在1200℃热暴露24h后，合金室温拉伸屈服强度为518MPa，断裂强度为1346MPa，与热暴露前相比无明显差异。
实施例2
一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金，其特征在于，该高熵合金中各元素的原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝0.5:2:1:1:1。其制备方法为：(1)按合金成分配比称取原料放置在酒精中，然后超声清洗、烘干；(2)将原材料置于水冷Cu坩埚中然后放入非自耗电弧熔炼炉内，抽真空至3×10-3Pa，再向炉中加入氩气至0.07MPa；(3)先将预先置于炉中的纯Ti块熔炼3次，进一步去除炉中残余的氧气，再将原料熔炼6次，然后用Cu模吸铸，得到合金锭；(4)将合金锭在1100℃下进行18小时真空固溶，水淬，然后700℃下轧制变形，变形量为75％；(5)在900℃下对轧制变形后的合金锭进行2小时的真空退火处理，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金。
该非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金中，FCC相和BCC相的体积分数分别为79％和21％，热变形后合金的室温拉伸屈服强度为689MPa，断裂强度为1573MPa，在1200℃热暴露24h后，合金室温拉伸屈服强度为691MPa，断裂强度为1577MPa，与热暴露前相比无明显差异。
实施例3
一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金，其特征在于，该高熵合金中各元素的原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝0.7:2:1:1:1。其制备方法为：(1)按合金成分配比称取原料放置在酒精中，然后超声清洗、烘干；(2)将原材料置于水冷Cu坩埚中然后放入非自耗电弧熔炼炉内，抽真空至3×10-3Pa，再向炉中加入氦气至0.06MPa；(3)先将预先置于炉中的纯Ti块熔炼5次，进一步去除炉中残余的氧气，再将原料熔炼8次，然后用Cu模吸铸，得到合金锭；(4)将合金锭在1200℃下进行20小时真空固溶，水淬，然后800℃下轧制变形，变形量为60％；(5)在1000℃下对轧制变形后的合金锭进行1.5小时的真空退火处理，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金。
该非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金中，FCC相和BCC相的体积分数分别为54％和46％，热变形后合金的室温拉伸屈服强度为812MPa，断裂强度为1784MPa，在1200℃热暴露24h后，合金室温拉伸屈服强度为809MPa，断裂强度为1769MPa，与热暴露前相比无明显差异。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金，其特征在于，该高熵合金中各元素的原子比为Al:Co:Cr:Fe:Mn＝(0.3-0.7):2:1:1:1；
所述的非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按合金成分配比称取原料，然后超声清洗、烘干；
(2)将原料置于水冷Cu坩埚中放入非自耗电弧熔炼炉内，然后抽真空再加入保护气体；
(3)先将预先置于炉中的纯Ti块熔炼，再将原料熔炼，用Cu模吸铸，得合金锭；
(4)将合金锭真空固溶，水淬，然后轧制变形；
(5)对轧制变形后的合金锭进行真空退火处理，得非等原子比的AlCoCrFeMn高熵合金；
步骤(2)中所述抽真空至3×10-3Pa，所述保护气体为氩气、氮气、氦气中任一种，且加入保护气体后控制炉内压强为0.05-0.07MPa；
步骤(3)中所述原料的熔炼次数为5-8次；
步骤(4)中所述固溶温度为1000-1200℃，固溶时间为18-24小时，所述轧制变形在600-800℃下进行，变形量为60-90％；
步骤(5)中所述退火温度为800-1000℃，退火时间为1-2小时。
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