CN111961918B

CN111961918B - 一种NiMnCu中熵合金及其制备方法

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Publication number: CN111961918B
Application number: CN202010743361.0A
Authority: CN
Inventors: 闫海乐; 王鲁达; 黄晓明; 贾楠; 赵骧; 左良
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: CN111961918A

Abstract

本发明公开了一种NiMnCu中熵合金及其制备方法，通过设计一定的元素配比和实验工艺，开发了一种强度和塑性优异的新型NiMnCu中熵合金体系。该合金由以下设计工艺制成：利用真空电弧熔炼炉将成分配比好的合金进行反复多次熔炼，制备成多晶铸锭。利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进Cu模里，形成致密合金；在850～950℃下均匀化退火至少24h。退火后样品在850～950℃下热轧50％，随后冷轧60％，最后690～700℃退火再结晶150～180s。Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5合金的屈服强度为561MPa，延伸率为33％，极限抗拉强度为1157MPa。本发明报道了一种力学性能优异的新型中熵合金体系，扩大了中熵合金的研究范围。

Description

一种NiMnCu中熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于中熵合金材料技术领域，涉及一种新型NiMnCu中熵合金的设计及其制备方法。

背景技术

近年来，中熵合金(Medium Entropy Alloys,MEAs)作为一种新型金属材料成为了国内外科学界广泛研究的热点。随着对MEAs研究的不断深入，人们发现MEAs在室温和低温下均能表现出优异的力学性能。MEAs所表现出的优异力学性能来源于位错滑移、变形孪晶和相变等丰富的变形机制(Bae J W,Seol J B,Moon J,et al.Exceptional phase-transformation strengthening of ferrous medium entropy alloys at cryogenictemperatures[J].Acta Materialia,2018,161:388-399)(Yoshida S,Ikeuchi T,Bhattacharjee T,et al.Effect of elemental combination on friction stress andHall-Petch relationship in face-centered cubic high/medium entropy alloys[J].Acta Materialia,2019,171:201-215.)。以目前研究最为广泛的CoCrNi中熵合金为例，其在低温和室温下均能保持良好的强度和塑性，其变形机制主要是孪晶变形和位错滑移(Laplanche G,Kostka A,Reinhart C,et al.Reasons for the superior mechanicalproperties of medium-entropy CrCoNi compared to high-entropy CrMnFeCoNi[J].Acta Materialia,2017,128:292-303)。目前，中熵合金的相关研究主要集中在开发已知MEAs的力学性能以及解释其变形机制，而对于新型MEAs的设计与开发还缺乏一定研究。

为了开发和设计一种新型中熵合金，本发明基于Ni-Mn基材料的知识背景提出了一种新型MEAs的设计及制备方法。Ni-Mn基磁性材料往往通过元素掺杂的方式进行合金开发，如NiMnIn掺Co来改善合金的磁性能。目前，MEAs的定义不再局限于由某些特定原子(Ni、Mn、Co、Cr、Fe)组成的合金，因此Ni-Mn基材料掺杂元素种类的多样性和复杂性为多组元MEAs的设计与开发提供了先决条件。此外，Ni-Mn基材料所表现出的本征脆性极大地限制了合金的应用，而通过引入MEAs的概念将有望有效改善Ni-Mn基材料的本征脆性。

众所周知，Cu元素是一种塑性极好的金属元素，本发明基于Ni-Mn基材料的Cu元素掺杂设计开发了一种新型MEAs，即NiMnCu中熵合金。目前，MEAs合金的制备主要是通过熔炼和一定的机械热加工成型，但对于一种特定合金还没有一种确定的最佳制备工艺。热轧温度、轧下量和再结晶温度等工艺参数决定了MEAs合金的微观组织，进而决定其力学性能。例如，低温轧制和大的轧下量将有利于获得较小的晶粒尺寸，从而获得较高的材料强度。因此，一种新型MEAs合金合理的制备工艺显得至关重要。

本发明基于Ni-Mn基材料掺杂元素种类的多样性和复杂性，通过设计一定的元素配比和实验工艺，开发了一种强度和塑性优异的新型NiMnCu中熵合金。该发明扩大了MEAs的研究范围，并为MEAs和Ni-Mn基材料的设计与开发建立了一定联系。同时，该合金克服了传统Ni-Mn基材料的本征脆性，对于Ni-Mn基材料的力学性能改进具有一定指导意义。

发明内容

本发明通过设计一定的金属元素配比和实验工艺，提出了一种新型NiMnCu中熵合金及其制备方法。NiMnCu合金所具有的强度和塑性具有一定的实际应用价值，而且该合金的工艺制备简单，易于实现工业化生产。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种NiMnCu中熵合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，熔炼及喷铸：合金原料为金属单质，按照目标合金成分原子比n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)＝50：50-x：x(x＝10～40)完成配比，通过电弧熔炼制备出多晶NiMnCu块体；为确保合金成分均匀，熔炼过程务必施加电磁搅拌，并保证翻转熔炼次数在4次以上；熔炼完成以后，待自然冷却至室温后方可取出；利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进Cu模里，形成致密合金；

步骤2，均匀化退火：将喷铸后致密合金封装后置于高温热处理炉中进行均匀化退火，退火温度为850～950℃，退火时间为至少24h，随后水淬；

步骤3，热轧：首先将均匀化退火后的样品在850～950℃保温2～3h，然后进行热轧，样品分6～8道次进行均匀温和轧制，最终轧下量为50％，随后自然冷却至室温；

步骤4，冷轧：将热轧后的样品进行室温冷轧处理，最终轧下量为60％；

步骤5，退火再结晶：冷轧后的样品含有大量的变形组织，需进行再结晶处理。将冷轧后的样品置于盐浴炉中进行再结晶处理，再结晶温度为690～700℃，退火时间为150～180s；最终合金获得晶粒尺寸为10～15μm的初态组织。

进一步地，优选步骤1中目标合金成分原子比为n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)＝50：22.5：27.5。

进一步地，优选步骤2中退火温度为900℃。

进一步地，优选步骤5中，再结晶温度为700℃，退火时间为150s。

本发明的有益效果为，提出了一种NiMnCu中熵合金体系同时具有较好的强度和塑性，具有一定的实际应用价值，同时它为Ni-Mn合金本征脆性问题的解决提供了解决方案。

附图说明

图1MiMnCu合金制备流程图。

图2Mi₅₀Mn_32.5Cu_17.5、Mi₅₀Mn_22.5Cu_27.5和Mi₅₀Mn_17.5Cu_32.5的XRD图像。

图3Mi₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金真应力应变曲线。

图4Mi₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金微观组织(a)及断口形貌(b)。

具体实施方式

实施例1

Ni-Mn-Cu中熵合金中元素的原子比之和为100，原子比为n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)＝50：22.5：27.5。

Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1，Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金铸体的制备：

(1)原料配比：按照Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5进行原子比例配料；

(2)熔炼制备多晶铸锭：将步骤(1)中准备好的原料置于高真空电弧熔炼炉水冷铜坩埚中，电弧熔炼炉腔体抽真空至3×10^-3后，通入惰性保护气体0.05MPa，利用高温电弧将合金反复熔炼4～5次并同时施加电磁搅拌以保证合金的成分均匀性。最终得到成分均匀的合金铸锭；

(3)利用线切割将电弧熔炼的Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金块体切割成小块，随后将块体放入石英管中，利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进直径为Ф15mm的Cu模里，最终形成直径为Ф15mm的圆棒。

(4)将喷铸后的圆棒用石英管封装后置于高温热处理炉中进行均匀化退火，退火温度为900℃，退火时间为24h，随后水淬。

步骤2，Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5合金机械热加工：

(1)热轧：首先将均匀化退火后的Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5棒状样品在900℃保温保温2h，然后进行热轧，样品分6道次进行均匀温和轧制，最终轧下量为50％，随后自然冷却。

(2)冷轧：将热轧后的Ni₅₀Mn_22.5Cu_27.5样品进行室温冷轧处理，轧下量为60％。

(3)退火再结晶：冷轧后的样品含有大量的变形组织，需进行再结晶处理。将冷轧后的样品置于盐浴炉中进行再结晶处理，再结晶温度为700℃,退火时间为150s。最终合金获得晶粒尺寸为10μm左右的初态组织。

其性能指标：

晶体结构：XRD结果表明，所制备合金为单一的面心立方结构。

微观组织：微观组织为均匀的完全再结晶组织，晶粒尺寸为10μm。

力学性能：合金的屈服强度为350MPa，延伸率为35％，极限抗拉强度为950MPa。

实施例2

Ni-Mn-Cu中熵合金中元素的原子比之和为100，原子比为n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)＝50：32.5：17.5。

Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1，Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5合金铸体的制备：

(1)原料配比：按照Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5进行原子比例配料；

(3)利用线切割将电弧熔炼的Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5合金块体切割成小块，随后将块体放入石英管中，利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进直径为Ф15mm的Cu模里，最终形成直径为Ф15mm的圆棒。

步骤2，Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5合金机械热加工：

(2)冷轧：将热轧后的Ni₅₀Mn_32.5Cu_17.5样品进行室温冷轧处理，轧下量为60％。

其性能指标：

力学性能：合金的屈服强度为561MPa，延伸率为33％，极限抗拉强度为1157MPa。

实施例3

Ni-Mn-Cu中熵合金中元素的原子比之和为100，原子比为n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)＝50：17.5：32.5。

Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1，Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5合金铸体的制备：

(1)原料配比：按照Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5进行原子比例配料；

(3)利用线切割将电弧熔炼的Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5合金块体切割成小块，随后将块体放入石英管中，利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进直径为Ф15mm的Cu模里，最终形成直径为Ф15mm的圆棒。

步骤2，Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5合金机械热加工：

(1)热轧：首先将均匀化退火后的Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5棒状样品在900℃保温保温2h，然后进行热轧，样品分6道次进行均匀温和轧制，最终轧下量为50％，随后自然冷却。

(2)冷轧：将热轧后的Ni₅₀Mn_17.5Cu_32.5样品进行室温冷轧处理，轧下量为60％。

其性能指标：

力学性能：合金的屈服强度为338MPa，延伸率为37％，极限抗拉强度为881MPa。

综上所述，所制备合金包含三种金属元素，具有单一的面心立方晶体结构，同时具有较好的强度和塑性综合力学性能。该合金符合中熵合金的多主元单相合金的判定标准。因此，本发明开发了一种强度和塑性优异的新型NiMnCu中熵合金。

Claims

1.一种NiMnCu中熵合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，熔炼及喷铸：合金原料为金属单质，按照目标合金成分原子比n(Ni)：n(Mn)：n(Cu)=50：50-x：x完成配比，其中x=10~40；通过电弧熔炼制备出多晶NiMnCu块体；为确保合金成分均匀，熔炼过程务必施加电磁搅拌，并保证翻转熔炼次数在4次以上；熔炼完成以后，待自然冷却至室温后方可取出；利用高真空喷铸炉将合金块体喷铸进Cu模里，形成致密合金；

步骤2，均匀化退火：将喷铸后致密合金封装后置于高温热处理炉中进行均匀化退火，退火温度为850~950℃，退火时间为至少24h，随后水淬；

步骤3，热轧：首先将均匀化退火后的样品在850~950℃保温2~3h，然后进行热轧，样品分6~8道次进行均匀温和轧制，最终轧下量为50%，随后自然冷却至室温；

步骤4，冷轧：将热轧后的样品进行室温冷轧处理，最终轧下量为60%；

步骤5，退火再结晶：将冷轧后的样品置于盐浴炉中进行再结晶处理，再结晶温度为690~700℃，退火时间为150~180s；最终合金获得晶粒尺寸为10~15μm的初态组织。

2.根据权利要求1所述的NiMnCu中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤2中退火温度为900℃。

3.根据权利要求1所述的NiMnCu中熵合金的制备方法，其特征在于，步骤5中，再结晶温度为700℃，退火时间为150s。

4.采用权利要求1-3任一所述的制备方法，得到的NiMnCu中熵合金。