CN113005349A - 一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Fe‑Cr‑Ni‑Cu‑Al系高阻尼高熵合金，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，Fe、Cr、Ni、Cu、Al的原子摩尔比为2:1:1:1:0.5。该方法的步骤为：(1)原料前处理：分别将Fe、Ni、Cr、Cu、Al的表面打磨干净，按照比例称出Fe、Cr、Ni、Cu、Al的重量，放入装有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗并干燥；(2)熔炼过程：熔炼前：打磨原料，称出重量，放无水乙醇中，对其超声波清洗并干燥；进行熔炼：海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，再对电弧炉内的高熵合金进行熔炼，对合金锭进行翻转；将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，喷铸，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；(3)加工处理：切割试样平整，再打磨后抛光。

Description

一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属新材料领域，具体涉及一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的成分、制备方法及其性能。
背景技术
金属材料在人类社会发展历史中一直占据着非常重要的作用，在某种意义上来说，人类文明史也是材料的发展历史，金属材料的出现使人类摆脱了对石器时代，进入青铜器时代。金属材料每一次重大的变革都会为人类社会发展带来生产力上的巨大变革，如古时候从青铜器时代进入铁器时代所带来的生产力的发展和变革等等。进入21世纪之后，国家与国家之间的科技竞争变得日益激烈，而先进的金属材料的开发与研究则是科技竞争的重中之重。在传统金属材料中，合金的应用非常广泛，小到人们手中的硬币，大到高铁，桥梁等合金材料的设计思路都是通过一种或两种为主要元素通过添加其他元素来改变性能。这种合金的设计思路已经经过数百上千年的发展，并且在现代工业中也取得了成功，开发出了许多合金体系。然而，基于这种设计思路而得到的合金性能已经趋于瓶颈。
2004年，中国台湾学者叶均蔚和英国学者Brian Cantor分别发表文章，首次在世界上提出了“高熵合金”/“多组元合金”的概念。它打破了传统合金以单组元为主的成分设计方法，提出以构型熵为主的设计新型多组元金属材料的新理念，这种设计是近几年来出现的一种具有非常广阔应用前景的新型高性能金属材料的设计方法。高熵合金体系的出现，成为人类合金发展历史上的一个重要里程碑。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的成分及制备方法，其目的是利用几种低价的元素，开发了非等摩尔比的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，在有着高阻尼的性能的同时降低成产成本，为工业化生产和应用奠定基础。
技术方案
一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，所述Fe、Cr、Ni、Cu、Al元素重量分别为26.11g，12.15g，13.73g，14.86，3.15g。
优选的，该方法包括以下步骤：
(1)原料前处理：分别将Fe、Ni、Cr、Cu、Al的表面打磨干净，按照比例称出Fe、Cr、Ni、Cu、Al的重量，放入装有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗并干燥；
(2)熔炼过程：
熔炼前：将干燥后的原料放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中的一个坑内，再将海绵锆放入水冷铜坩埚中的另一个坑内，关闭电弧炉炉门，开启机械泵在真空度低于5Pa后启动分子泵，继续抽真空至5x10-3Pa以下，关闭机械泵及分子泵阀门，充入高纯氩气至0.02atm作为保护气氛以防止在后续熔炼过程中原料氧化；
进行熔炼：先将海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，之后对电弧炉内的高熵合金进行5遍熔炼，每次对合金锭进行翻转180度以便成分均匀；
将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，放入喷铸炉内坩埚中进行喷铸，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；
(3)加工处理：切割试样平整，再打磨后抛光。
优选的，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al的纯度均为≥99.9。
优选的，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al，以砂轮机以及锉刀分别打磨其表面氧化铁皮。
优选的，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al，以精度为0.0001g的天平称取原料。
优选的，步骤(1)所述超声波清洗9-11分钟。
优选的，步骤(3)所述使用线切割的方式将喷铸所得试样切割平整，喷铸使用冷却模具为钢制模具，冷却腔2mm×12mm×35mm或以上规格尺寸的模具，如(2-6)mm×(12-18)mm×(35-60)mm；所述打磨用砂纸。
优选的，使用该方法制备出的高阻尼高熵合金，室温阻尼性能Q-1＝0.09-0.12，硬度330-335HV，屈服强度684-690MPa。
优点及效果
本发明中的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金成分中不含贵重金属和稀有元素，显著降低成本，高熵合金中不仅满足形成简单稳定的体心立方和面心立方的双相固溶体结构，而且比其他高熵合金有着更高的阻尼性能，室温阻尼性能Q-1＝0.09-0.12，硬度330-335HV，屈服强度684-690MPa。
附图说明
图1为高阻尼高熵合金的X射线衍射图谱；
图2为高阻尼高熵合金阻尼性能图；
图3为高阻尼高熵合金室温压缩应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
实施例1：
一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，Fe、Cr、Ni、Cu、Al的原子摩尔比为2:1:1:1:0.5。
本高阻尼高熵合金采用如下方法进行制备:
(1)原料前处理：分别将纯度≥99.9的Fe、Ni、Cr、Cu、Al以砂轮机以及锉刀将表面氧化铁皮打磨干净，按照Fe、Cr、Ni、Cu、Al元素的原子百分比计算，重量分别为26g、12g、14g、15g、3g，使用精度为0.0001g的天平称取原料，然后放入装有无水乙醇的烧杯中，进行40KHz超声波清洗10分钟后再干燥；
(2)熔炼过程：
熔炼前：将干燥后的原料放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中的一个坑内，将海绵锆放入水冷铜坩埚中的另一个坑内，关闭电弧炉炉门，开启机械泵在真空度低于5Pa后启动分子泵，继续抽真空至5×10-3Pa以下，关闭所有阀门泵；充入高纯氩气至0.02atm作为保护气氛以防止在后续熔炼过程中原料氧化；
海绵锆的放入目的是因为金属锆与氧的亲和力非常高，目的是吸收炉体内剩余的氧气，使熔炼的高熵合金更纯净，减少氧化。
由于分子泵无法在大气压下启动，会损坏；所以必须使用其他抽气设备降低炉体内的气压到5Pa以下才能启动分子泵。
进行熔炼：先将海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，之后对电弧炉内的高熵合金进行5遍熔炼，每次对合金锭进行翻转180度以便成分均匀；
将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，放入喷铸炉内坩埚中进行喷铸，喷铸使用冷却模具为钢制模具，冷却腔为4mm×15mm×40mm，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；
(3)加工处理：使用线切割的方式将喷铸所得试样切割平整，然后砂纸打磨后抛光。
实施例2
一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，Fe、Cr、Ni、Cu、Al的原子摩尔比为2:1:1:1:0.5。
本高阻尼高熵合金采用如下方法进行制备:
(1)原料前处理：分别将纯度≥99.9的Fe、Ni、Cr、Cu、Al以砂轮机以及锉刀将表面氧化铁皮打磨干净，按照Fe、Cr、Ni、Cu、Al元素的原子百分比计算，重量分别为26g、12g、14g、15g、3g，使用精度为0.0001g的天平称取原料，然后放入装有无水乙醇的烧杯中，进行40KHz超声波清洗10分钟后再干燥；
(2)熔炼过程：
熔炼前：将干燥后的原料放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中的一个坑内，将海绵锆放入水冷铜坩埚中的另一个坑内，关闭电弧炉炉门，开启机械泵在真空度低于5Pa后启动分子泵，继续抽真空至5×10-3Pa以下，关闭所有阀门泵；充入高纯氩气至0.02atm作为保护气氛以防止在后续熔炼过程中原料氧化；
海绵锆的放入目的是因为金属锆与氧的亲和力非常高，目的是吸收炉体内剩余的氧气，使熔炼的高熵合金更纯净，减少氧化。
由于分子泵无法在大气压下启动，会损坏；所以必须使用其他抽气设备降低炉体内的气压到5Pa以下才能启动分子泵。
进行熔炼：先将海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，之后对电弧炉内的高熵合金进行6遍熔炼，每次对合金锭进行翻转180度以便成分均匀；
将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，放入喷铸炉内坩埚中进行喷铸，喷铸使用冷却模具为钢制模具，冷却腔为2mm×12mm×35mm，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；
(3)加工处理：使用线切割的方式将喷铸所得试样切割平整，然后砂纸打磨后抛光。
实施例3：
一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，Fe、Cr、Ni、Cu、Al的原子摩尔比为2:1:1:1:0.5。
本高阻尼高熵合金采用如下方法进行制备:
(1)原料前处理：分别将纯度≥99.9的Fe、Ni、Cr、Cu、Al以砂轮机以及锉刀将表面氧化铁皮打磨干净，按照Fe、Cr、Ni、Cu、Al元素的原子百分比计算，重量分别为26g、12g、14g、15、3g，使用精度为0.0001g的天平称取原料，然后放入装有无水乙醇的烧杯中，进行40KHz超声波清洗11分钟后再干燥；
(2)熔炼过程：
熔炼前：将干燥后的原料放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中的一个坑内，将海绵锆放入水冷铜坩埚中的另一个坑内，关闭电弧炉炉门，开启机械泵在真空度低于5Pa后启动分子泵，继续抽真空至5×10-3Pa以下，关闭所有阀门泵；充入高纯氩气至0.02atm作为保护气氛以防止在后续熔炼过程中原料氧化；
海绵锆的放入目的是因为金属锆与氧的亲和力非常高，目的是吸收炉体内剩余的氧气，使熔炼的高熵合金更纯净，减少氧化。
由于分子泵无法在大气压下启动，会损坏；所以必须使用其他抽气设备降低炉体内的气压到5Pa以下才能启动分子泵。
进行熔炼：先将海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，之后对电弧炉内的高熵合金进行6遍熔炼，每次对合金锭进行翻转180度以便成分均匀；
将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，放入喷铸炉内坩埚中进行喷铸，喷铸使用冷却模具为钢制模具，冷却腔为6mm×18mm×60mm，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；
(3)加工处理：使用线切割的方式将喷铸所得试样切割平整，然后砂纸打磨后抛光。

Claims (8)

1.一种Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金，其特征在于，该合金由Fe、Cr、Ni、Cu、Al组成，所述Fe、Cr、Ni、Cu、Al元素的原子百分比为：2：1：1：1：0.5。
2.一种如权利要求1的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)原料前处理：分别将Fe、Ni、Cr、Cu、Al的表面打磨干净，按照比例称出Fe、Cr、Ni、Cu、Al的重量，放入装有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗并干燥；
(2)熔炼过程：
熔炼前：将干燥后的原料放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中的一个坑内，再将海绵锆放入水冷铜坩埚中的另一个坑内，关闭电弧炉炉门，开启机械泵在真空度低于5Pa后启动分子泵，继续抽真空至5x10-3Pa以下，关闭机械泵及分子泵阀门，充入高纯；
进行熔炼：先将海绵锆熔化以吸收炉内残余的氧气，之后对电弧炉内的高熵合金进行4-6遍熔炼，每次对合金锭进行翻转180度以便成分均匀；
将电弧炉内熔炼所得纽扣锭取出切割后，放入喷铸炉内坩埚中进行喷铸，喷铸炉气氛控制与电弧炉相同；
(3)加工处理：切割试样平整，再打磨后抛光。
3.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al的纯度均为≥99.9％。
4.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al，以砂轮机以及锉刀分别打磨其表面氧化铁皮。
5.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Fe、Ni、Cr、Cu、Al，以精度为0.0001g的天平称取原料。
6.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述超声波清洗9-11分钟，所使用的超声波频率为40kHz。
7.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述使用线切割的方式将喷铸所得试样切割平整，喷铸使用冷却模具为钢制模具，冷却腔(2-6)mm×(12-18)mm×(35-60)mm；所述打磨用砂纸。
8.根据权利要求2所述的Fe-Cr-Ni-Cu-Al系高阻尼高熵合金的制备方法，其特征在于，使用该方法制备出的高阻尼高熵合金，室温阻尼性能Q-1＝0.09-0.12，硬度330-335HV，屈服强度684-690MPa。
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