CN112553517A - 一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金制备方法与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金制备方法与工艺。其中高熵合金材料CrMoNiTaHfW，其中该高熵合金的材料配比按照等摩尔比为1:1:1:1:1:1。其中制作过程：(1)粉末称量：利用天平称取等摩尔目标金属粉末；(2)粉末混合：将配制好的粉末在V型混粉机上混合均匀；(3)压制成块：将混合后的粉末在压力机下冷压成形；(4)熔炼合金：使用真空非自耗电弧熔炼炉对粉末压坯进行熔炼；(5)最后，对铸锭进行固溶处理。相对于其他高熵合金，本发明制备一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金继承了高熵合金的高性能，同时也对耐磨性能有不小的提升。该合金在耐磨领域具有很好的应用前景。

Description

一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金制备方法与工艺

技术领域

本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体提供了一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金及其制备工艺，该合金在耐磨领域具有很好的应用前景。

背景技术

传统合金在现今无法满足目前工业要求，并且是以一种合金元素为基体添加微量元素提升强度、硬度、抗压强度、耐蚀性、热稳定性等。比如以铜基体的合金材料、以铬为基体的合金材料、以铁为基体的合金材料都具有优良的机械加工性能。同时，传统合金也有不足之处，添加过多的合金元素种类会出现较多的脆性金属间化合物，恶化合金的力学性能；过多的化合物也不利于分析和研究合金的组织。因此，传统的合金设计理念不利于合金向多主元方向发展。

目前，高熵合金的制备大多采用电弧熔炼工艺，该方法制备的合金很容易出现应力集中、成分偏析、冷裂和缩孔等缺陷，影响合金的实际应用，而对合金进行固溶热处理不仅可以消除或减小内应力，而且会产生固溶硬化现象，提高合金的强度增加耐磨性。随着温度的升高，变形孪晶数量增加，引起屈服强度提高，使磨损量逐渐减少，耐磨性有所提高。

结合上述分析，为了实现同时提高CrMoNiTaHfW高熵合金的耐磨性，本发明公开一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金及其制备工艺。本发明在真空高压的环境下，采用非自耗真空熔炼炉熔炼得到高熵合金铸锭，经过高温氧化炉固溶处理所得高强度材料。

发明内容

基于传统高熵合金在性能上的不足，本发明制备的高熵合金材料CrMoNiTaHfW合金，经过热处理后能够在耐磨取得良好的性能要求，使得高熵合金在应用领域得到广泛应用。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：一种高熵合金材料，成分为CrMoTaNiHfW,其中，Cr:Mo:Ta:Ni:Hf:W的摩尔比分别为：1:1:1:1:1:1。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案还包括：一种成分为CrMoNbNiHfW的高熵合金材料的制备方法，其主要流程是按以下步骤完成的：

1)采用纯度99.5％以上的冶金原料Cr、Mo、Hf、W、Ni和Ta金属粉末，按照等摩尔比例进行精确的称量配比，将其混合均匀；

2)使用压样机将混合的粉末压制成块，供熔料制备合金使用；

3)使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；

4)对样品室抽真空，当真空度达到6.6×10-3Pa后，充入纯度为99.99％氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；

5)真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；

6)熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

7)熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金铸锭，经过线切割机器切割得到所要求尺寸；

8)取出样品置于高温氧化炉中，经固溶处理完成后，随炉冷却。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种CrMoNiTaHfW高熵合金，所述高熵合金由体心立方结构固溶体和Laves相组成，未出现金属间化合物等复杂相，合金组织均匀，具有较高的硬度和优异的力学性能。具有广阔的应用前景

本发明提供一种高熵合金提升强度性能的新工艺方法，利用固溶处理的优势极大的提升材料的硬度以及耐磨性。特点在于流程简单、能耗低、污染低、效率高，可以极大应用于工业相关技术。

综上所述，本高熵合金制备工艺有望在对重工设备制造领域、高温耐磨领域实现大范围应。

附图说明

图1为合金铸态、固溶处理合金、耐磨钢(ZGMn13)和45钢显微硬度比较图。

图2为固溶处理合金X射线衍射图谱。

图3为实施例中制备的CrMoNiHfTaW高熵合金的扫描电子显微组织。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的其他优点及作用。

实施步骤：

1、材料成分设计：本实施方式是一种CrMoNiTaHfW高熵合金是由Cr、Mo、Hf、W、Ta和Ni六种元素组成，其中，Cr:Mo:Ni:Ta:Hf:W的摩尔比依次为：1:1:1:1:1:1分别称量,大约20g样品铸锭合金；

2、原料制备：根据受热均匀性的考虑有先选择粉末状的金属，使用V型混粉机上混合10h。再用粉末压制机压成圆形固块。所需要的压力为100MPa,保压时间为1min；

3、真空熔炼：打开水泵进行铜盘水冷，将炉腔体内部清理干净，同时要用砂纸打磨铜盘和钨极，再用纱布蘸少量无水乙醇对5给铜盘进行清洗。对非自耗真空熔炼炉进行低真空预抽，并通氩气洗炉。将圆形固块依次放入真空水冷铜盘坩埚上，同时放置一给钛锭和钛片，便于钨极引弧。然后，抽高真空空至炉内气压降至1×10^-3Pa，后通入高纯氩气达1atm。在钛片处引弧，是样品熔化并变成流动的液体状，关闭电流，凝固成椭球状合金铸锭；

4、固溶处理工艺：将所得的各组合金铸锭利用线切割成4mm×4mm×3mm尺寸的方形样品，先利用纯度为90％的酒精溶液洗涤，擦拭干净后，放置于高温氧化炉中进行固溶处理，温度为1200℃，时间长2h,取出进行油淬；

5、CrMoNiTaHfW高熵合金的组织结构及性能

1)显微硬度测定及分析

取出随炉冷却固溶处理的样品和未处理的铸态样品依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。采用HV-1000型显微硬度计测试试样的硬度，该显微硬度计的试验力为9.807N(1kgf)，设置试验力加载时间为15s。试样选取5个不同位置测量其显微硬度，去掉最高硬度值和最低硬度值，取其余硬度值的平均数值作为试样的显微硬度值，最后得到热处理合金的显微硬度值为989.1HV以及未处理合金的显微硬度值为823.1HV。同时，工业中耐磨钢以ZGMn13为例子，水韧处理后强度460-570HV，45号钢强度为229HV。由图1合金之间的强度比较可知，本发明合金本就具有优良的耐磨性能，优于工业中常常出现的耐磨钢和45钢，同时固溶处理后的硬度也得到了极大的提升。

2)、X射线衍射(XRD)测试及相组成分析

依次将样品依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。X射线衍射物相分析在日本理学Rigaku D/Max2500 X射线衍射仪上进行。设备技术规格：使用Cu作为辐射源，石墨单色器，操作电压40kV、电流250mA，自转靶。扫描速率8°/min，选择衍射角范围为2θ＝5-90°利用MDI-Jade 6.0软件分析实验数据，确定物相。XRD测试结果显示CrMoNiTaHf高熵合金的主要组成相为体心立方结构固熔体相和少量Laves相。

3)显微组织分析

依次将样品依次使用800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光同时用特定浸蚀剂溶液腐蚀(氯化亚铁200ml、氯化镁4g、盐酸2ml、无水乙醇100ml)用扫描电子显微镜观察试样组织形貌为曲折板条状(类似于马氏体)且在深浅双相周围出现了灰色弥散相，能够达到高硬度和高耐磨的条件。

实施例结果总结：

本发明在采用新型高熵合金的基础上采用固溶处理方法得到固溶处理后的CrMoNiTaHfW合金。利用高熵合金本身具有的优良耐磨性，在由固溶处理的方法使变形孪晶数量增加，引起屈服强度提高，使磨损量逐渐减少，耐磨性有所提高。使其具有高熵合金的高硬度和高耐磨，同时因为Cr、Mo本身耐腐蚀性能良好，保证了抗高温氧化性和耐腐蚀性。

Claims (3)

1.一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金材料的制备方法，所述高熵合金主要为体心立方固溶体，其特征包括以下步骤：

1)、将Mo、Cr、Ta、Hf、Ni、W材料置于容器内，再分别进行超声处理；

2)、将Cr、Mo、Ni、Ta、Hf、W六种金属粉末利用电子天平秤精确计量等摩尔比为1:1:1:1:1:1的粉末；

3)、将六种精确称量的粉末导入混粉机的容器中，开始至混粉均匀；

4)、使用压样机将混合均匀的粉末压制成块，得到块状样品；

5)、将所压制块状金属用非自耗真空电弧熔炼合金，首先用镊子将块状样品放置在熔炼槽中，继续将纯钛片竖立放置在其余熔炼槽中，放置完毕之后关闭炉门并锁紧，将四个锁门栓旋转紧；

6)、对样品室先进行洗气体，充入氩气将炉腔内部的空气排出，在进行抽真空，当真空度达到6.6×10-3Pa后充入纯度大于99.99％的氩气直到炉子内气压达到0.01Pa，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；

7)、抽真空和填充氩气环节完备后，可直接开始引弧，引弧成功即可熔炼，先利用先前放置的纯钛引弧一段时间燃尽室内原有残余氧气；

8)、熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化表面承液体状后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，重复此操作4次以上；

9)、熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金铸锭，经过线切割机器切割得到所要求尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种CrMoNiTaHfW高熵合金的制备方法，其特征在于：第一步中的超声处理的方法为：在容器内加入丙酮淹没材料后，超声清洗15～20min，去除金属表面附着的油污及杂质；随后再将去除杂质后的Mo、Cr、Ta、Hf、Ni、W材料分别置于加入无水乙醇的烧杯中，超声清洗15～20min，然后将材料放置于烘干箱中，设置60摄氏度烘干，得到超声处理后的Mo、Cr、Ta、Hf、Ni、W材料，以达到去除材料表面杂质的影响。

3.根据权利要求1所述的一种CrMoNiTaHfW高熵合金的制备方法,其特征在于：基于步骤9所得铸锭样品置于高温氧化炉中，温度设置为700℃，达到目标温度保温1h，随炉冷却至室温，退火后的试样再经研磨、抛光和(氯化亚铁200ml、氯化镁4g、盐酸2ml、无水乙醇100ml)酸溶液腐蚀后进行物相分析、组织观察和硬度测试。

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