CN112251660B - 一种高强度锻态高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高强度锻态高熵合金及其制备方法。本发明所述高熵合金的的化学成分由Mn、Fe、Cu、Ni和C组成，各元素的纯度为99.9％及以上，其中Mn：Fe：Ni：Cu：C的原子比依次为1：1：1：1：0.0877，所述高熵合金是将按原子比配合的原料，在电磁感应炉中充入氩气气氛保护下进行熔炼，合金浇注成方锭，之后继续锻造得到含碳锻态高熵合金。本发明采用Mn、Ni和Cu奥氏体稳定元素，实现基体为奥氏体相，同时引入间隙元素C，产生固溶强化作用，而且还与主元素形成碳化物，产生弥散强化作用，从而显著提高了合金的屈服强度和极限强度，而且制备工艺简单，成本低能耗小，应用前景广阔。

Description

一种高强度锻态高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高强度锻态高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金作为金属材料领域近年来的三大突破之一，其开拓性地打破了传统合金设计理念的思想囚笼，适当配比的高熵合金在硬度、抗压强度、耐磨等方面明显优于常规金属材料。近些年来，随着高熵合金的发展，人们对于高熵合金的界定不再局限，逐渐拓展至由四种或以上元素以等原子比或近似等原子比混合，以实现热力学上熵稳固(SSS,ideal>1.36R)的固溶体相的一类合金。但其在室温下强度相对较低(铸态仅约200MPa)，远远低于金属结构材料所需的强度，阻碍了其作为结构材料的商业推广应用。
尽管传统金属中的强化方式，例如细晶强化、沉淀强化等已被应用于FCC结构高熵合金的强度提升中，但仍不可避免的出现合金塑性退化，以及随之而来的是强度-塑性平衡困境。为了在不影响塑性的情况下进一步提高强度，添加合金元素，例如碳的添加可能是一种有效的方法。Wang等人在《Acta Materialia》，120(2016)228-239上发表的“The effectof interstitial carbon on the mechanical properties and dislocationsubstructure evolution in Fe40.4Ni11.3Mn34.8Al7.5Cr6 high entropy alloys”(探究间隙碳对高熵合金力学性能和位错亚结构演变的影响)一文中，介绍了随着合金中碳的原子比逐渐增加至1.1at.％时，其强塑性均有明显提升，然而在合金中碳的原子比超过1.1at.％并没有进一步报道。
而且，针对目前高熵合金存在的室温强度低以及强塑性不平衡问题，通过适当的合金元素配比以及间隙碳元素的添加，制备出高性能的高熵合金具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明提供一种高强度锻态高熵合金及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种高强度锻态高熵合金，所述高强度锻态高熵合金的化学成分由Mn、Fe、Cu、Ni和C组成，其中Mn：Fe：Ni：Cu：C的原子比依次为1：1：1：1：0.0877,即合金的表达式为MnFeNiCuC0.0877。
所述锻态高熵合金为单相FCC结构；
所述锻态高熵合金组织形貌为尺寸粗大的树枝晶，枝晶上和枝晶间均弥散分布大量针状碳化物；
所述锻态高熵合金在室温下的维氏硬度为330HV，屈服强度为653MPa，抗压强度为886MPa，断裂应变为22％；
上述的高强度锻态高熵合金，作为低成本、低能耗和高强结构材料的应用。
上述的高强度锻态高熵合金的制备方法，按以下步骤进行：
步骤一，选用纯度均为99.9％及以上的Mn、Fe、Ni、Cu、C粉末作为原料，首先将Mn、Fe、Cu、Ni按原子比为1：1：1：1配好，然后向其中添加0.455wt.％的C；
步骤二，去除原料金属Mn、Fe、Ni、Cu的表面氧化皮，并清洗干燥；
步骤三，将经过步骤一、二处理后的原料放入电磁感应炉的石墨坩埚中重复多次熔炼后浇注成方锭，之后继续锻造得到所述高强度锻态高熵合金。
上述的高强度锻态高熵合金的制备方法，所述步骤三的熔炼过程均在纯度为99.999％的氩气气氛保护下进行。
本发明的有益效果为：
(1)本发明Mn、Ni和Cu奥氏体稳定元素，实现基体为奥氏体相，通过碳元素的掺杂，降低材料的层错能，产生固溶强化作用，而且还与主元素形成碳化物，产生弥散强化作用，从而显著提高了合金的屈服强度和极限强度；
(2)本发明为单相FCC结构，原始锻态形貌为粗大枝晶，在枝晶与枝晶间均弥散分布大量针状碳化物，在室温下的维氏硬度为330HV，屈服强度为653MPa，抗压强度为886MPa，断裂应变22％，综合来看，该锻态高熵合金室温下表现出优异的综合力学性能；
(3)通过合理的成分配比关系和工艺设计，较大的提升高熵合金室温下的性能，平衡强度和塑性；制备工艺简单，成本低能耗小，具备较强的经济性，并推动其实际应用，应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例1中MnFeNiCuC0.0877锻态高熵合金的XRD图；
图2为实施例1中MnFeNiCuC0.0877锻态高熵合金的OM[(a)和(b)]和SEM(c)图；
图3为实施例1中MnFeNiCuC0.0877锻态高熵合金的室温拉伸实验曲线图；
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种高强度锻态高熵合金，其表达式为MnFeNiCuC0.0877，其制备方法按以下步骤进行：
步骤一：选用纯度均为99.9％及以上的Mn、Fe、Ni、Cu、C粉末作为原料，首先将Mn、Fe、Cu、Ni按原子比为1：1：1：1配好，然后向其中添加0.455wt.％的C；
步骤二：利用机械与化学相结合的方法去除原料中金属Mn、Fe、Ni、Cu表面的氧化皮，并用超声波清洗仪清洗30min，烘干备用；
步骤三：将处理好的高熵合金原料放入电磁感应炉内的石墨坩埚中，用真空泵对电磁感应炉抽真空，之后充入纯度为99.999％的氩气，如此反复洗气4次，保证电磁感应炉内的真空度；
重新抽真空至6×10-3Pa以下，然后通入氩气保护气体，将坩埚中的原料在1450～1550℃温度下进行熔炼，熔炼后将得到的合金块取出后倒置于坩埚中，再次抽真空并充入氩气进行熔炼，如此反复熔炼3次，以保证合金成分的均匀性；
将熔炼好的合金再次放入电磁感应炉中，抽真空充入氩气熔化后将其浇铸到铜模中得到方锭，之后继续锻造得到含碳MnFeNiCuC0.0877锻态高熵合金。
由图1可以看出该合金为单相FCC结构，并未出现碳化物峰。
由图2可以看出该合金形貌由粗大的枝晶相和窄细的枝晶间相构成，在枝晶与枝晶间无序的分布着针状碳化物。
拉伸试验是在室温下进行的，由图3可以看出，实验拉伸应变速率为0.01s-1，该合金的屈服强度为653MPa，抗压强度为886MPa，断裂应变22％。
表1为图2中碳化物的EDS分析，由表1可以看出碳含量的比重。
表1
Figure BDA0002722907020000051

Claims (4)

1.一种高强度锻态高熵合金，其特征在于，所述高强度锻态高熵合金的化学成分由Mn、Fe、Cu、Ni和C组成，其中Mn：Fe：Ni：Cu：C的原子比依次为1：1：1：1：0.0877,即合金的表达式为MnFeNiCuC0.0877，所述锻态高熵合金为单相FCC结构；所述锻态高熵合金组织形貌为尺寸粗大的树枝晶，枝晶上和枝晶间均弥散分布大量针状碳化物；所述锻态高熵合金在室温下的维氏硬度为330HV，屈服强度为653MPa，抗压强度为886MPa，断裂应变为22%。
2.根据权利要求1所述的高强度锻态高熵合金，其特征在于，所述合金作为低成本、低能耗和高强结构材料的应用。
3.根据权利要求1所述的高强度锻态高熵合金的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一，选用纯度均为99.9%及以上的Mn、Fe、Ni、Cu、C粉末作为原料，首先将Mn、Fe、Cu、Ni按原子比为1：1：1：1配好，然后向其中添加0.455wt.%的C；
步骤二，去除原料金属Mn、Fe、Ni、Cu的表面氧化皮，并清洗干燥；
步骤三，将经过步骤一、二处理后的原料放入电磁感应炉的石墨坩埚中重复多次熔炼后浇注成方锭，之后继续锻造得到所述高强度锻态高熵合金，即MnFeNiCuC0.0877。
4.根据权利要求3所述的高强度锻态高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三的熔炼过程均在纯度为99.999%的氩气气氛保护下进行。
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