CN111961946A - 一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法，合金的成分为(Ni₂FeCr)_{100‑x‑ y}Al_xTi_y，Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1,元素Al、Ti的原子百分比分别为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％。合金的制备工艺为：将各构成元素按照名义成分称重混合，通过真空熔炼以及适当的变形‑热处理工艺获得。本发明的合金材料具有纳米尺度γ′相弥散分布在FCC基体中的结构特征。本发明的中熵合金具有低成本、高强度、高塑性，以及优异的热稳定性等性能特点。

Description

一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制备技术领域，涉及一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法。

背景技术

多主元合金突破了传统合金的设计理念，为设计高性能金属材料提供了一条有效的途径。多主元合金根据其组元混合熵，可分为高熵合金(ΔS_mix≥1.5R)和中熵合金(1R＜ΔS_mix＜1.5R)。高熵、中熵合金多组元混合以及原子排列化学无序的结构特性，使其显示出有别于传统金属的独特性能，如高构成熵、大晶格畸变以及原子扩散缓慢等效应，进而表现出一系列优异的力学和物理性能，具有广泛的应用前景。

面心立方结构(FCC)高熵、中熵合金是当前研究最为广泛的高熵合金体系。FCC结构高熵、中熵合金具有高损伤容限、良好的抗辐照能力、优异的低温性能以及高耐磨、耐腐蚀性能等一系列优异的性能，可以作为理想的工程结构材料。然而FCC结构高熵合金表现出强度-塑性严重不匹配的现象，例如纯CrCoNi中熵合金，室温下的屈服强度只有近430MPa，而延伸率高达72％。这种强度-塑性的矛盾严重制约了FCC结构高熵、中熵合金的发展与应用。析出强化作为最有效的强化手段被广泛用于高熵、中熵合金的强韧化过程中，然而当前开发的高性能析出强化高熵、中熵合金多数含有价格高昂的Co元素，这无疑会减缓高熵、中熵合金的工业化进程。本发明设计了一种无Co的中熵合金体系，并通过变形-热处理工艺的有效配合引入纳米尺度的γ′相进行强化，不仅可以降低成本，而且可以获得高强度、高塑性以及热稳定良好的性能组合，具有广泛的应用前景。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法，针对高熵、中熵合金强度-塑性不能兼得的难题，而且成本高昂的问题，设计低成本高强高韧的中熵合金体系，并通过适当的形变-热处理方法引入纳米尺度的共格析出相进行强化。本发明为高熵、中熵合金的低成本化以及获得高强高韧的匹配性能提供了技术指导，将推进高熵、中熵合金的工程应用。

技术方案

一种低成本高强高韧中熵合金，其特征在于合金成分为：(Ni₂FeCr)_100-x-yAl_xTi_y，其中：Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1，Al、Ti元素的原子百分比为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％。

一种所述低成本高强高韧中熵合金的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、熔炼：将各金属配料置于真空感应熔炼炉中，加热至1650～1700℃并保温20～30分钟，然后倾倒在钢模中冷却，得到中熵合金铸锭；

所述各金属配料按照Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1，Al、Ti元素的原子百分比为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％；

步骤2、变形-热处理工艺：将所得的均匀化铸锭进行冷变形处理，然后将冷变形的中熵合金进行固溶和时效处理，获得所述低成本高强高韧中熵合金材料。

所述各金属配料采用Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块作为原材料。

所述各金属块经过研磨去除原材料表面的氧化膜，然后依次置于丙酮、酒精中进行超声清洗后干燥。

所述步骤1的中熵合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，处理参数为：1200℃保温10-15小时，水淬。

所述Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块纯度不低于99.5％。

所述步骤2的冷变形处理为：将均匀化的中熵合金进行室温轧制，轧制总量为30％-90％。

所述步骤2的固溶处理为：将冷加工的中熵合金在1000-1200℃温区处理10-60分钟，水淬。

所述步骤2的时效处理为：将固溶处理的中熵合金在700-800℃温区处理1-100小时，水淬。

有益效果

本发明提出的一种低成本高强高韧中熵合金及制备方法，合金的成分为(Ni₂FeCr)_100-x-yAl_xTi_y，Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1,元素Al、Ti的原子百分比分别为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％。合金的制备工艺为：将各构成元素按照名义成分称重混合，通过真空熔炼以及适当的变形-热处理工艺获得。本发明的合金材料具有纳米尺度γ′相弥散分布在FCC基体中的结构特征。本发明的中熵合金具有低成本、高强度、高塑性，以及优异的热稳定性等性能特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明所涉及的中熵合金体系不含价格高昂的Co元素，因此可以降低成本。

(2)本发明所涉及的高强高韧中熵合金采用真空熔炼结合变形-热处理技术获得，制备工艺合理简单，制备过程可重复性强，可实现工业化批量生产。

(3)本发明所涉及的中熵合金组织结构简单，纳米尺度的共格γ′相弥散分布于FCC基体中，且通过控制变形-热处理工艺参数，可以改变基体晶粒尺寸，析出相尺寸以及体积分数，从而实现对力学性能的调控。

本发明所涉及的中熵合金具有高强度、高韧性以及优异的热稳定性等综合性能，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别为实施例1(Al3Ti3中熵合金，1000℃/1h+800℃/1h)和实施例2(Al4Ti4中熵合金，1200℃/10min+700℃/5h)中制备的中熵合金的电子背散射衍射(EBSD)分析图，从图中可以看出不同的固溶处理制度可以决定合金的晶粒尺寸。

图2(a)和2(b)分别为实施例2(Al4Ti4中熵合金，1200℃/10min+700℃/5h)和实施例3(Al4Ti4中熵合金，1200℃/10min+700℃/50h)中制备的中熵合金的透射电子显微镜(TEM)分析暗场相，从图中可以看出纳米尺度的共格γ′相弥散分布在FCC基体中，并且不同的时效制度可以决定析出相的尺度。

图3为实施例1(Al3Ti3中熵合金，1000℃/1h+800℃/1h)、实施例2(Al4Ti4中熵合金，1200℃/10min+700℃/5h)、实施例3(Al4Ti4中熵合金，1200℃/10min+700℃/50h)制备的中熵合金试样的拉伸应力-应变曲线对比图。

图4为Al4Ti4中熵合金800℃下不同时效时间的TEM暗场像对比图，从图中可以看出析出相在800℃能保持良好的热稳定性能。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

低成本高强高韧中熵合金及制备方法如下：

步骤1、原材料的预处理、配料：以Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块作为原材料，使用机械研磨去除原材料表面的氧化膜，然后依次置于丙酮、酒精中进行超声清洗5-10分钟，继而吹干备用，根据所设计的中熵合金的名义成分进行精确称量；

所述的Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块纯度不低于99.5％。

步骤2、熔炼：将各金属配料置于真空感应熔炼炉中，加热至1650-1700℃并保温20-30分钟，然后倾倒在钢模中冷却，即可得到中熵合金铸锭。所得铸锭需要在热处理炉中进行高温均匀化处理。

所述的高温均匀化处理为：1200℃保温10-15小时，水淬。

步骤3、变形-热处理工艺：将所得的均匀化铸锭进行冷变形处理，然后将冷变形的中熵合金进行固溶和时效处理，即可获得所述低成本高强高韧中熵合金材料。

所述的冷变形处理为：将均匀化的中熵合金进行室温轧制，轧制总量为30％-90％。

所述的固溶处理为：将冷加工的中熵合金在1000-1200℃温区处理10-60分钟，水淬。

所述的时效处理为：将固溶处理的中熵合金在700-800℃温区处理1-100小时，水淬。

实施例1

一种低成本高强高韧中熵合金，该中熵合金的化学式为Ni₄₇Fe_23.5Cr_23.5Al₃Ti₃，简记为Al3Ti3合金，其中各元素比例为摩尔(原子)百分比。具体制备工艺如下：

(1)原材料的预处理、配料：使用机械研磨去掉Ni、Fe、Cr、Al和Ti元素表面的氧化皮，并依次使用丙酮和酒精溶液进行超声波清洗，然后吹干备用。按照合金的名义成分进行称重，配料，原料总重量为2Kg。

(2)熔炼：将Ni、Fe、Cr元素放置在真空感应熔炼炉中加热至1650℃保温15分钟，随后加入Al、Ti元素并保温10分钟，然后将熔液倾倒在钢模中冷却。

(3)均匀化处理：将中熵合金铸锭进行1200℃/10h热处理，随后进行水淬。

(4)冷变形处理：将均匀化处理后的中熵合金铸锭进行多道次室温轧制，确保总的压下量为80％。

(5)固溶处理：将轧制态的中熵合金进行1000℃/1h固溶处理，随后进行水淬。

(6)时效处理：将固溶态中熵合金进行800℃/1h时效处理，随后进行水淬，即可获得高强高韧的中熵合金。

经过测试，本实施例所得中熵合金晶粒尺寸为～27μm(见图1(a))，析出相尺寸为～11nm，析出相体积分数为～14.5％，屈服强度为～586MPa，抗拉强度为～1020MPa,且保留～58.6％的延伸率(见图3)。

实施例2

一种低成本高强高韧中熵合金，该中熵合金的化学式为Ni₄₆Fe₂₃Cr₂₃Al₄Ti₄，简即位Al4Ti4合金，其中各元素比例为摩尔(原子)百分比。制备工艺如下：

(1)原材料的预处理、配料：使用机械研磨去掉Ni、Fe、Cr、Al和Ti元素表面的氧化皮，并依次使用丙酮和酒精进行超声波清洗，然后吹干备用。按照合金的名义成分进行称重，原料总重量为2Kg。

(2)熔炼：将Ni、Fe、Cr元素放置在真空感应熔炼炉中加热至1650℃保温15分钟，随后加入Al、Ti元素并保温10分钟，然后将熔液倾倒在钢模中冷却。

(3)均匀化处理：将中熵合金铸锭进行1200℃/10h热处理，随后进行水淬。

(4)冷变形处理：将均匀化处理后的中熵合金铸锭进行多道次室温轧制，确保总的压下量为80％。

(5)固溶处理：将轧制态的中熵合金进行1200℃/10min固溶处理，随后进行水淬。

(6)时效处理：将固溶态中熵合金进行700℃/5h时效处理，随后进行水淬，即可获得高强高韧的中熵合金。

经过测试，本实施例所得中熵合金晶粒尺寸为～50μm(见图1(b))，析出相尺寸为～10nm(见图2(a))，析出相体积分数为～41％，屈服强度为～764MPa，抗拉强度为～1180MPa,且保留～43％的延伸率(见图3)。

实施例3

一种低成本高强高韧中熵合金，该中熵合金的化学式为Ni₄₆Fe₂₃Cr₂₃Al₄Ti₄，简记为Al4Ti4合金，其中各元素比例为摩尔百分比。制备工艺如下：

(1)原材料的预处理、配料：使用机械研磨去掉Ni、Fe、Cr、Al和Ti元素表面氧化皮，并依次使用丙酮和酒精溶液进行超声清洗，然后吹干备用。按照合金的名义成分进行称重，原料总重量为500g。

(2)熔炼：将Ni、Fe、Cr元素放置在真空感应熔炼炉中加热至1650℃保温15分钟，随后加入Al、Ti元素并保温10分钟，然后将熔液倾倒在钢模中冷却。

(3)均匀化处理：将中熵合金铸锭进行1200℃/10h热处理，随后进行水淬。

(4)冷变形处理：将均匀化处理后的中熵合金铸锭进行多道次室温轧制，确保总的压下量为80％。

(5)固溶处理：将轧制态的中熵合金进行1200℃/10min固溶处理，随后进行水淬。

(6)时效处理：将固溶态中熵合金进行700℃/50h时效处理，随后进行水淬，即可获得高强高韧的中熵合金。

经过测试，本实施例所得中熵合金晶粒尺寸为～50μm，析出相尺寸为～21nm(见图2(b))，析出相体积分数为～41％，屈服强度为～960MPa，抗拉强度为～1420MPa,且保留～27％的延伸率(见图3)。

各实施例总结：本发明所涉及的低成本高强高韧中熵合金能够通过改变过程参数达到力学性能可控的目的，成本较低，强度-塑性匹配性能良好以及较高的热稳定性能(见图4)，因而具有较大的工业应用价值。

Claims (9)

1.一种低成本高强高韧中熵合金，其特征在于合金成分为：(Ni₂FeCr)_100-x-yAl_xTi_y，其中：Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1，Al、Ti元素的原子百分比为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％。

2.一种权利要求1所述低成本高强高韧中熵合金的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、熔炼：将各金属配料置于真空感应熔炼炉中，加热至1650～1700℃并保温20～30分钟，然后倾倒在钢模中冷却，得到中熵合金铸锭；

所述各金属配料按照Ni、Fe、Cr元素的摩尔比为2:1:1，Al、Ti元素的原子百分比为2≤x≤4at.％，2≤y≤4at.％；

步骤2、变形-热处理工艺：将所得的均匀化铸锭进行冷变形处理，然后将冷变形的中熵合金进行固溶和时效处理，获得所述低成本高强高韧中熵合金材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述各金属配料采用Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块作为原材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述各金属块经过研磨去除原材料表面的氧化膜，然后依次置于丙酮、酒精中进行超声清洗后干燥。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1的中熵合金铸锭在热处理炉中进行高温均匀化处理，处理参数为：1200℃保温10-15小时，水淬。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述Ni、Fe、Cr、Al和Ti金属块纯度不低于99.5％。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2的冷变形处理为：将均匀化的中熵合金进行室温轧制，轧制总量为30％-90％。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2的固溶处理为：将冷加工的中熵合金在1000-1200℃温区处理10-60分钟，水淬。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2的时效处理为：将固溶处理的中熵合金在700-800℃温区处理1-100小时，水淬。

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