CN112899546A - 一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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胡永乐
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杨玲伟
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Abstract

本发明提出一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法,其化学表达式为CoCrNiTax,各元素的摩尔比为1:1:1:x(0.3≤x≤0.5)。本发明通过调控Ta元素在合金中的含量,设计制备得到不同成分的含有共晶组织的高熵合金,其中,0.3≤x<0.4时为亚共晶高熵合金;x=0.4时为共晶高熵合金;0.4<x≤0.5时为过共晶高熵合金。本发明所述共晶高熵合金制备方法为:对所需金属的片状、块状单质原料以砂纸打磨去除表面氧化物和杂质,经水和酒精清洗,干燥,按照摩尔比配制预处理的单质原料。熔炼时先熔炼Ti块以去除残留的氧气分子,之后分别熔炼2‑3次Co‑Ni二元合金、Cr‑Ta二元合金,最后整体熔炼3‑5次Co‑Cr‑Ni‑Ta高熵合金,得到椭球状合金铸锭。本发明的合金微观组织均匀,强度高,共晶组织为连续片层结构。

Description

一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属合金材料及其制备领域,具体涉及一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法。
背景技术
CoCrNi中熵合金在低温下塑性和强度同时增加,具有突出的低温力学性能,克服了传统合金在低温下塑性降低的问题。然而,CoCrNi中熵合金在室温下屈服强度较低,限制了其进一步的工程应用。
共晶高熵合金(EHEAs)是一种由软、硬两相交替排列,具有片层状组织的新型共晶合金。这类合金具有液态流动性好,成形性优异等特点。此外,软、硬两相交替分布,与单相FCC结构的高熵合金相比,具有优异的力学性能。
为了进一步强化CoCrNi中熵合金并使其具有优异的成形性,基于CoCrNi中熵合金,采用共晶合金的设计理念,通过添加适量Ta元素,本发明提供了一种Ta元素调控的CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法。
发明内容
本发明提出一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法,其目的在于通过调控Ta元素的含量进而调控共晶高熵合金的组织结构,进一步调控合金的力学性能,获得一种组织结构均匀,性能优异的CoCrNiTax共晶高熵合金。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
(1)以纯度不低于99.95wt.%的Co、Cr、Ni、Ta四种元素的片状、块状单质为原料,以不同型号砂纸(400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#)打磨单质原料表面,去除表面氧化物和杂质,在水和酒精中超声清洗,干燥备用;
(2)按照各元素摩尔比要求称取预处理的单质原料,进行配料,分别装袋以备熔炼;
(3)将Ti块放入一个坩埚,Ni、Co单质原料自下而上放入一个坩埚,Cr、Ta单质原料自下而上放入一个坩埚,关闭炉门,多次抽真空,往炉内充入高纯保护气体至近常压;开始熔炼,先熔炼Ti块,再多次熔炼Ni-Co二元合金和Cr-Ta二元合金,最后将熔炼完成的Cr-Ta二元合金放入Ni-Co二元合金的坩埚内,并进行多次整体熔炼得到Co-Cr-Ni-Ta高熵合金;熔炼过程中通过调整熔炼电流大小使合金原料完全熔化形成合金,每次熔炼完成后,待合金冷却成椭球状铸锭后,将铸锭上下翻转,再进行下一次熔炼;每炉合金共翻转5-8次以保证熔炼合金组织和成分的均匀性;
(4)熔炼结束后,为了防止高温下熔融的高熵合金液球因冷却过快而产生较大内应力,应逐步降低电流让其缓慢冷却,断弧后,随炉冷却至少20分钟得到共晶高熵合金铸锭。
所述步骤(1)中,所述超声清洗时间不低于10min,干燥时间不低于1h。
所述步骤(2)中,Co:Cr:Ni:Ta四种元素摩尔比为1:1:1:x(0.3≤x≤0.5)。
所述步骤(3)中,先熔炼Ti块的目的是去除炉体内残留的氧气分子。
所述步骤(3)中,炉体内的真空度不高于2.3×10-3Pa;保护气体为纯度不低于99.99wt%,保护气体可以是氩气、氦气等各种惰性气体,炉体内保护气体的压强控制在-0.05Pa–-0.15Pa之间。
所述步骤(3)中,电磁搅拌强度控制在9A;熔炼电流为230A-550A,每次熔炼时间为2min–8min。
所述步骤(4)中,熔炼完成后,熔炼结束后逐步降低电流幅度不高于80A,每次降低电流后熔炼时间不低于30s。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果
本发明合金微观组织均匀,由两相组成,且微观组织可调控。
本发明合金力学性能优异,较CoCrNi合金相比屈服强度和断裂强度大幅提高。
本发明的合金制备方法工艺简单,安全可靠,便于推广应用。
附图说明
图1是实施例CoCrNiTa0.4合金的扫描电子显微(SEM)照片。
图2是实施例CoCrNiTa0.4合金的X射线衍射(XRD)图谱。
图3是实施例CoCrNiTa0.4合金的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
为进一步描述本发明的内容,结合附图和实施例进行说明。
实施例:
采用本发明所述的方法制备一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法,其化学成分表达式为CoCrNiTa0.4,合金铸锭质量为60g,所述一种Ta调控CoCrNiTa0.4共晶高熵合金及其制备方法为:
1、配制单质原料
步骤一:用不同目的砂纸(400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#)去除各元素单质原料表面氧化物和杂质。
步骤二:用水和酒精的混合物在超声仪器中进行清洗15min;在干燥箱中干燥1.5h。
步骤三:分别称取预处理后的各元素金属单质原料,其重量分别为:Co:14.66g、Cr:14.54g、Ni:12.85g、Ta:17.95g;对称量好的各元素单质原料分别装袋备用。
2、熔炼
步骤四:将配好的各单质原料按照下述顺序放置:Ti块放入一个坩埚,Ni、Co单质原料自下而上放入一个坩埚,Cr、Ta单质原料自下而上放入一个坩埚,关闭炉门;将真空电弧熔炼炉抽真空至2.1×10-3Pa,通入纯度为99.99wt%的高纯氩气作为保护气体,炉内压强为-0.5Pa。
步骤五:
a:在高纯氩气的保护下进行引弧,成功引弧后逐渐加大电流,同时缓慢移动钨电极使坩埚内的Ti块受热均匀并完全熔化以去除残留的氧气分子,升高电极,断弧;
b:旋转至Co-Ni合金所在的坩埚,成功引弧后开启电磁搅拌,逐渐加大电流,同时缓慢移动钨电极使Co-Ni受热均匀并完全熔化,完全熔化后持续熔炼1min,并转动钨电极使溶液尽可能混合均匀,熔炼完成后,缓慢降低电流,同时升高钨电极,让合金溶液随炉冷却;
c:旋转至Cr-Ta合金所在的坩埚,逐渐加大电流并降低钨电极,缓慢移动钨电极使Cr-Ta受热均匀并完全熔化,完全熔化后持续熔炼1min,并转动钨电极使溶液尽可能混合均匀,熔炼完成后缓慢升高钨电极,同时缓慢降低电流,电流降到最低时关闭电磁搅拌并断弧,让合金溶液随炉冷却;
d:用勺子将完全冷却后的合金铸锭上下翻转,重复上述步骤五(b-c),共熔炼3次以保证二元合金成分均匀,每次熔炼完待用勺子将合金铸锭翻转再进行下一次熔炼。
步骤六:熔炼完成后将Cr-Ta二元合金放入Co-Ni二元合金所在的坩埚中,重复上述步骤四和步骤五,共熔炼4次以保证合金成分均匀,为了防止高温下熔融的高熵合金液球因冷却过快而产生较大内应力,逐步降低电流控制在50A-70A之间,每次降低电流后继续熔炼30s-40s,待电流降至最低后断弧。
3、冷却:
步骤七:熔炼完成后,合金溶液在铜模内冷却至少二十分钟后,打开炉门,取出样品,得到成分为CoCrNiTa0.4高熵合金铸锭。
对实施例得到的CoCrNiTa0.4高熵合金测试样进行微观组织分析,其SEM照片如图1所示,可知该合金由初生相和共晶组织组成,且共晶组织为非连续网状片层状交替生长结构。
对实施例得到的CoCrNiTa0.4高熵合金测试样进行物相分析,其XRD图谱如图2所示,可知CoCrNiTa0.4高熵合金由两相组成,分别为FCC相和Laves相。
对实施例得到的CoCrNiTa0.4高熵合金测试样进行压缩测试,其压缩应力应变曲线如图3所示,可知CoCrNiTa0.4共晶高熵合金比CoCrNi合金屈服强度和断裂强度大幅提高。

Claims (10)

1.一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金,其特征是,所述共晶高熵合金表达式为CoCrNiTax
2.如权利要求1所述共晶高熵合金表达式,其特征是,所述表达式中,各元素的摩尔比为Co:Cr:Ni:Ta=1:1:1:x,其中,0.3≤x≤0.5。
3.如权利要求2所述Ta元素摩尔比x,其特征是,所述摩尔比中,0.3≤x<0.4时,所述高熵合金为亚共晶高熵合金;x=0.4时,所述高熵合金为共晶高熵合金;0.4<x≤0.5时,所述高熵合金为过共晶高熵合金。
4.一种Ta调控CoCrNiTax共晶高熵合金及其制备方法,其特征是,包括以下步骤:
以各元素单质为原料,按照权利要求2所述的摩尔比称取预处理的单质原料,进行原料配制;将配好的原料放入熔炼炉坩埚内,其中,Ti块放入一个坩埚,Ni、Co单质原料自下而上放入一个坩埚,Cr、Ta单质原料自下而上放入一个坩埚,关闭炉门,多次抽真空,往炉内充入高纯保护气体至近常压;开始熔炼,先熔炼Ti块,再多次熔炼Ni-Co二元合金和Cr-Ta二元合金,最后将熔炼完成的Cr-Ta二元合金放入Ni-Co二元合金的坩埚内进行多次整体熔炼Co-Cr-Ni-Ta高熵合金;整个熔炼过程中通过调整熔炼电流使合金原料完全熔化并伴随电磁搅拌形成合金;所熔合金共翻转熔炼5-8次以保证熔炼合金组织和成分的均匀性;熔炼结束后,为了防止高温下熔融的高熵合金液球因冷却过快而产生较大内应力,应逐步降低电流让其缓慢冷却,得到共晶高熵合金铸锭。
5.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,所述单质原料的纯度不低于99.95at.%,其形状为片状、块状。
6.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,所述各单质原料在配制前需经砂纸打磨以去除表面氧化物和杂质,超声清洗时间不低于10min,干燥时间不低于1h。
7.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,所述熔炼炉内真空度不高于2.3×10-3Pa;保护气体可是氩气、氦气等各种惰性气体,其纯度不低于99.99wt%,炉体内保护气体的压强控制在-0.05Pa–-0.15Pa之间。
8.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,熔炼合金前,先熔炼Ti块以去除炉体内残留的氧气分子。
9.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,所述熔炼次数为,Co-Ni二元合金、Cr-Ta二元合金熔炼2-3次,整体熔炼Co-Cr-Ni-Ta高熵合金3-5次;每次熔炼完成,待合金冷却成椭球状铸锭后,将铸锭上下翻转,再进行下一次熔炼;熔炼结束后逐步降低电流幅度不高于80A,每次降低电流后熔炼时间不低于30s;采用上述要求严格进行熔炼方可将烧损降到最低。
10.如权利要求4所述制备方法中,其特征是,电磁搅拌强度控制在9A;所述熔炼电流为200A–550A,;每次熔炼时间为2min–8min。
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