CN112095040B - 一种多主元高熵合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多主元高熵合金及制备方法，选用Al、Cr、Cu、Fe、Nb、Ni和Ti作为原料；采用高真空非自耗电弧熔炼炉在高纯氩气保护下将原材料熔炼成纽扣锭；通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试合金的硬度。所述合金体系结构主要为L21+Laves和少量的FCC结构，测得维氏硬度达到500‑650HV，合金产品原料来源广、制备方法简单、产品用途广泛。

Description

一种多主元高熵合金及制备方法
技术领域
本发明涉及高熵合金材料技术领域，具体涉及一种多主元高熵合金及制备方法。
背景技术
金属材料伴随着人类文明的发展，目前传统合金的发展已经遇到了瓶颈，一些铝合金、钛合金等金属材料已经不足以满足人类文明对高性能材料的要求。传统合金设计通常是以一到两种主要元素通过添加微量其他合金元素所得的一类金属材料，过多添加其他元素使组织中出现了脆性金属间化合物造成合金性能下降并且在传统合金在成分设计上具有一定的局限性。在这个背景下，2004年叶均蔚教授打破传统的合金化理论提出一种多主元合金(主元数≥5)并对其进行了定义，该合金由五种或五种以上主元素组成且每种组元的原子百分比含量在5％～35％之间，称之为高熵合金(HEAs)。
高熵合金优于传统合金主要体现在两个方面：从成分设计来说，合金元素的种类与含量具有高灵活性，可以在一个较大的范围内调整；从组织性能来说，高熵合金“四大效应”(热力学的高熵效应、动力学的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的“鸡尾酒”效应)的作用使高熵合金在组织和性能上优于传统合金。在组织结构上，高熵合金高的熵值能够抑制产生复杂相，倾向于形成简单的面心立方和体心立方固溶体；在性能上，高熵合金独特的组织不仅具有优于传统合金的力学性能，还有良好的催化性能、耐辐照性能等特殊性能。高熵合金灵活的成分设计和优异的综合性能使其研究具有重要的科研价值和广阔的应用前景。高熵合金灵活的成分设计和优异的综合性能使其研究具有重要的科研价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种多主元高熵合金及制备方法，高熵合金主要选用Al、Cr、Cu、Fe、Nb、Ni和Ti作为原料；采用高真空非自耗电弧熔炼炉在高纯氩气保护下将原材料熔炼成纽扣锭，合金体系结构具有L21+Laves和少量的FCC结构，测得维氏硬度达到500～650HV。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种多主元高熵合金，包括组分Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb，其中Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti：Nb的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：0～1.0。
优选的，Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti：Nb的摩尔比为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0。
一种多主元高熵合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤，
步骤一、预处理：将Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料分别放入装有无水乙醇的烧杯内，放入超声波清洗仪中清洗5-10min，取出后风干；
步骤二、称量：按照摩尔百分比称取洁净的Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料；
步骤三、熔炼：将原料后按照熔点由低到高依次加入坩埚中，进行抽真空处理，在氩气保护气体下进行熔炼，熔炼过程进行电磁搅拌，每次熔炼时间≥10min，得到合金液通过冷却后得到合金锭，将合金锭翻转并反复熔炼4次以上使合金锭成分均匀，得到AlCrCuFeNiTiNbx高熵合金。
优选的，所述步骤一中Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料的纯度大于99.9％。
优选的，所述步骤三中熔炼方法为真空电弧熔炼，所采用的设备为WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉，熔炼电流为600A，搅拌电流为20A，冷却方式为水冷。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明采用高真空非自耗电弧熔炼炉在高纯氩气保护下将原材料熔炼成纽扣锭；通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试合金的硬度。所述合金体系结构主要为L21+Laves和少量的FCC结构，测得维氏硬度达到500-650HV，合金产品原料来源广、制备方法简单、产品用途广泛。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为具体实施方案中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTiNbx高熵合金的XRD图。
图2为具体实施方案实施例1中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTi高熵合金不同倍数下金相组织图，(a)200X；(b)500X。
图3为具体实施方案实施例2中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTiNb0.25高熵合金不同倍数下金相组织图，(a)200X；(b)500X。
图4为具体实施方案实施例3中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTiNb0.5高熵合金不同倍数下金相组织图，(a)200X；(b)500X。
图5为具体实施方案实施例4中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTiNb高熵合金不同倍数下金相组织图，(a)200X；(b)500X。
图6为具体实施方案中电弧熔炼制备AlCrCuFeNiTiNbx高熵合金维氏硬度。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
一种高熵合金材料及制备方法，选取Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti元素为原料，其中Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0。
一种高熵合金及制备方法的制备主要步骤如下：
步骤一、预处理：将Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料分别放入装有无水乙醇的烧杯内，放入超声波清洗仪中清洗5-10min，取出后风干；
步骤二、称量：按照摩尔百分比称取洁净的Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料；
步骤三、熔炼：将原料后按照熔点由低到高依次加入坩埚中，进行抽真空处理，在氩气保护气体下进行熔炼，熔炼方法为真空电弧熔炼，所采用的设备为WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉，熔炼电流为600A，熔炼过程进行电磁搅拌，搅拌电流为20A，冷却方式为水冷，每次熔炼时间≥10min，得到合金液通过冷却后得到合金锭，将合金锭翻转并反复熔炼4次以上使合金锭成分均匀，得到AlCrCuFeNiTi高熵合金，记为Nb0合金，。
通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；使用王水溶液(HCl：HNO3＝3：1)进行腐蚀后通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试所得Nb0合金的硬度为HV516.4。
实施例2
一种高熵合金及制备方法的制备步骤与实施例1基本相同，唯有不同的是原料用量的比例，选取Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、元素为原料，其中Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti：Nb的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：0.25，记为Nb0.25合金。
通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；使用王水溶液(HCl：HNO3＝3：1)进行腐蚀后通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试所得Nb0.25合金的硬度为HV536.0。
实施例3
一种高熵合金及制备方法的制备步骤与实施例1基本相同，唯有不同的是原料用量的比例，选取Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb元素为原料，其中Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti：Nb的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：0.5，记为Nb0.5合金。
通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；使用王水溶液(HCl：HNO3＝3：1)进行腐蚀后通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试所得Nb0.5合金的硬度为HV568.8。
实施例4
一种高熵合金及制备方法的制备步骤与实施例1基本相同，唯有不同的是原料用量，选取Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb元素为原料，其中Al：Cr：Cu：Fe：Ni：Ti：Nb的摩尔比依次为1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0：1.0，记为Nb1合金。
通过X射线衍射仪测定合金晶体结构；使用王水溶液(HCl：HNO3＝3：1)进行腐蚀后通过金相显微镜分析合金组织；通过显微维氏硬度计测试所得Nb1合金的硬度为HV614.4。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种多主元高熵合金的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括以下步骤，
步骤一、预处理:将Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料分别放入装有无水乙醇的烧杯内，放入超声波清洗仪中清洗5-10min,取出后风干；
其中Al:Cr:Cu:Fe:Ni:Ti:Nb的摩尔比为1.0:1.0:1.0:1.0:1.0:1.0:1.0，A1、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料的纯度大于99.9％；
步骤二、称量:按照摩尔百分比称取洁净的A1、Cr、Cu、Fe、Ni、Ti、Nb原料；
步骤三、熔炼:将原料后按照熔点由低到高依次加入坩埚中，进行抽真空处理，在氩气保护气体下进行熔炼，熔炼过程进行电磁搅拌，每次熔炼时间≥10min,得到合金液通过冷却后得到合金，将合金锭翻转并反复熔炼4次以上使合金锭成分均匀，得到AlCrCuFeNiTiNbx高熵合金；熔炼方法为真空电弧熔炼，所采用的设备为WK-II型非自耗真空电弧炉，熔炼电流为600A，搅拌电流为20A，冷却方式为水冷；
制备的合金体系结构主要为L21+Laves和少量的FCC结构，合金的硬度高达HV614.4。
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