CN112831711A - 一种高性能低密度双相高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能低密度双相高熵合金及其制备方法，高性能低密度双相高熵合金的其通式为AlaCrbFecNidTie，其中a，b，c，d和e分别代表对应各元素的原子比，a、b、c和d的值不小于5并且不大于35，e的值不大于8。本发明还公开了所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，包括以下步骤：将按照通式配比的混合物料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，氩气保护氛围下，利用电弧将合金熔化并反复熔炼。本发明的合金具有共格结构的无序体心立方相和有序体心立方相组成，具有超高的压缩强度和较好的塑性，同时Ti元素的加入使合金的密度显著降低，并且Cr元素的存在使合金具有优异的耐腐蚀和抗氧化性能，合金的综合性能优异。

Description

一种高性能低密度双相高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术，尤其涉及一种高性能低密度双相高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金是由多种主要元素组成的新型金属材料，具有严重的晶格畸变、迟滞扩散以及高的混合熵等特点。该类合金在力学性能、抗腐蚀性能以及抗辐照性等方面具有比传统合金优异的性能，因此该类合金在航空航天以及极端复杂环境条件下具有广泛的应用前景以及潜力。目前所研究的高熵合金中，具有单相面心立方结构的合金具有较高的塑性，但强度一般较低；具有体心立方结构的合金强度高，但是塑性较差难以满足工程应用要求。因此制备兼具高强度高塑性的合金成为了亟待解决的问题。
同时，一般高熵合金由于其多主元且迟滞扩散的特点，在熔炼制备过程中容易出现元素偏析导致组织不均匀，并且熔液合金的流动性较差，导致合金的成型性能较差。此外，合金的密度较大，也不利于燃料能源的高效应用。上述问题严重制约了高熵合金的大规模应用与发展。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有高熵合金不能同时具备高强度、高塑性，以及成型能力不足、密度较高的问题，提出一种高性能低密度双相高熵合金，该合金具有共格结构的无序体心立方相和有序体心立方相组成，具有超高的压缩强度和较好的塑性，同时Ti元素的加入使合金的密度显著降低，并且Cr元素的存在使合金具有优异的耐腐蚀和抗氧化性能，即该合金的综合性能优异。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高性能低密度双相高熵合金，其通式为AlaCrbFecNidTie，其中a，b，c，d和e分别代表对应各元素的原子比，a、b、c和d的值不小于5并且不大于35，e的值不大于10。
进一步地，a和b的值不小于10并且不大于20，c和d的值不小于25兵器不大于35，e的值不大于10。
本发明的另一个目的还公开了一种高性能低密度双相高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1将高纯度的Al、Cr、Fe、Ni、Ti合金元素去除氧化皮并进行清洗处理；
步骤2按照通式AlaCrbFecNidTie进行配料并混合；
步骤3将混合好的合金元素在干燥箱中进行干燥处理；
步骤4将混合物料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，氩气保护氛围下，利用电弧将合金熔化并反复熔炼；
步骤5熔炼得到的纽扣锭在水冷坩埚中冷却，制备得到高性能低密度双相高熵合金。
进一步地，步骤1高纯度的Al、Cr、Fe、Ni、Ti合金元素的纯度大于等于99.95wt％。
进一步地，步骤2所述配料的精度为0.001g。
进一步地，步骤3所述干燥处理的温度为100～150℃，干燥时间不低于30min。
进一步地，步骤4所述氩气保护氛围压力为0..2-1.0MPa，优选为0.5MPa。
进一步地，步骤4所述熔炼5次以上。
进一步地，步骤4熔炼后在水冷坩埚中冷却20min以上，水冷坩埚中冷却可以使合金快速冷却。
本发明高性能低密度双相高熵合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
1、本发明中的高性能低密度双相高熵合金将几百纳米的有序体心立方相和无序体心立方相相结合，实现了合金超高的强度，同时两相界面呈共格结构，保证了合金的塑性，本发明中的合金其压缩塑性为43％，同时断裂强度达到3307Mpa，机械性能优异。
2、相比于单相固溶体合金和析出强化型合金，本发明中的合金流动性和铸造成型能力好，在凝固结晶过程中不易发生元素偏析，解决了高熵合金的制备问题。
3、本发明中的双相高熵合金含有大量的Cr元素，能够有效提高合金的耐腐蚀性和抗氧化性，在工程应用上具有巨大潜力。
4、本发明中的双相高熵合金Ti元素的添加显著降低了合金的密度，合金密度的降低在工程应用上意义重大，应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例2中高熵合金的显微组织图片；
图2为实施例2中高熵合金的XRD物相衍射图谱；
图3为实施例2中高熵合金的相界面透射电镜图片，其中(a)为两相的相界面高分辨图片，(b)为反傅立叶变换得到两相的衍射斑点(c)为经傅立叶变换得到的两相界面高分辨图片；
图4为实施例2和对比例中高熵合金室温环境下的压缩工程应力应变曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种高性能低密度双相高熵合金，由Al、Cr、Fe、Ni和Ti元素组成，该高性能低密度合金的通式为AlaCrbFecNidTie，其中a，b，c，d和e分别代表对应各元素的原子比，a，b，c和d的值不小于5并且不大于35，e的值不大于8。
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种高性能低密度双相高熵合金，该合金的化学式为AlCrFeNiTi，简记为合金1，其中各元素的比例为摩尔原子比。
本实施例高性能低密度AlaCrbFecNidTie合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗：将Al、Cr、Fe、Ni、Ti合金元素使用机械研磨的方法去除表面的氧化皮，然后分别置于不同的烧杯中并加入酒精，使用超声进行清洗，将清洗之后的合金元素取出并吹干；
(2)配料：从清洗过的合金原料中取料，按照合金的摩尔原子比分别称重相对应质量的Al、Cr、Fe、Ni和Ti元素并进行混合；
(3)烘干：将混合好的合金元素在干燥箱中进行干燥处理；
(4)合金熔炼：将混合物料置于电弧熔炼炉中，关闭炉腔，抽真空至3.0×10-3Pa然后反充氩气至0.5MPa；打开电源起弧后，先将钛锭反复熔炼两次以吸收炉腔内残余的氧气，然后对混合的原料进行熔炼，每次熔炼约3min；待熔炼完成后关闭电源等待试样冷却，之后将试样翻转继续熔炼。反复熔炼5次以上以保证合金成分的均匀性。
(5)冷却：熔炼完成后关闭电源，使试样在水冷坩埚中冷却20min以上，打开炉腔得到AlaCrbFecNidTie高熵合金。
实施例2
本实施例公开了一种高性能低密度的双相高熵合金，该合金的化学式为AlaCrbFecNidTie，简记为合金2，其中各元素的原子比为a：b：c：d：e。
该高熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同的是配料过程中按照合金的原子比分别称重对应质量的Al、Cr、Fe、Ni和Ti元素并进行混合。
对比例
本对比例公开了一种高性能的双相高熵合金，该合金的化学式为AlaCrbFecNidTie，简记为合金3，其中各元素的原子比为a：b：c：d：e。
该高熵合金的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同的是配料过程中按照合金的原子比分别称重对应质量的Al、Cr、Fe、Ni和Ti元素并进行混合。
我们通过扫描电镜对实施例1和2进行微观组织观察，通过X射线衍射图谱分析实施例2的晶体结构，图1为实施例1和2的微观组织图片，图2为实施例2的XRD图谱，根据检测结果可知，合金由片层状的两相结构组成，两相分别为有序体心立方相和无序体心立方相。对实施例2进行透射电镜分析，发现两相宽度约为几百纳米并且相界面呈共格结构，如图3所示，这种共格界面对力学性能的提高具有有益影响。图4所示为合金的室温压缩强度，可以发现合金表现出优异的力学性能。
然后对实施例2和对比例中的试样进行室温压缩测试，得到室温条件下的应力应变曲线。由实验结果可知，试样的抗压强度达到3307Mpa，同时压缩塑性约为43％，该性能超过了目前报道的所有该系列合金的性能，展现出了超高的机械性能。
对实施例2和对比例进行了密度测试，结果表明实施例2合金的密度显著低于对比例的密度，密度值降低为6.51g/cm3,密度的降低在工程上有重要意义。
对实施例2和对比例进行硬度测试，测试结果表明，对比例的硬度值为275HV，实施例2的硬度值达到521HV，表明Ti元素的添加不仅使合金的密度显著降低，而且对提高合金的性能产生积极的作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高性能低密度双相高熵合金，其特征在于，其通式为AlaCrbFecNidTie，其中a，b，c，d和e分别代表对应各元素的原子比，a、b、c和d的值不小于5并且不大于35，e的值不大于10。
2.根据权利要求1高性能低密度双相高熵合金，其特征在于，a和b的值不小于10并且不大于20，c和d的值不小于25并且不大于35，e的值不大于10。
3.一种高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1将高纯度的Al、Cr、Fe、Ni、Ti合金元素去除氧化皮并进行清洗处理；
步骤2按照通式AlaCrbFecNidTie进行配料并混合；
步骤3将混合好的合金元素在干燥箱中进行干燥处理；
步骤4将混合物料置于电弧熔炼炉中进行熔炼，氩气保护氛围下，利用电弧将合金熔化并反复熔炼；
步骤5熔炼得到的纽扣锭在水冷坩埚中冷却，制备得到高性能低密度双相高熵合金。
4.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤1高纯度的Al、Cr、Fe、Ni、Ti合金元素的纯度大于等于99.95wt％。
5.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤2所述配料的精度为0.001g。
6.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤3所述干燥处理的温度为100～150℃，干燥时间不低于30min。
7.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤4所述氩气保护氛围压力为0.2-1.0MPa。
8.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤4所述熔炼5次以上。
9.根据权利要求3所述高性能低密度双相高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤4熔炼后在水冷坩埚中冷却20min以上。
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