CN113073215A - 一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法与应用。制备：(1)配粉：按高熵合金的原子百分比将钴、铬、铁、镍、硼单质粉混合，得到混合粉末；(2)熔炼：将混合粉末熔化成金属液；(3)涂润滑剂：在沉积腔体中的模具内涂覆润滑剂，干燥后通入惰性气体；(4)沉积：将金属液加注到金属液包中，通入惰性气体将金属液雾化沉积在模具内，获得CoCrFeNiB高熵合金板；(5)均质化处理：将CoCrFeNiB置于真空加热炉中热处理；(6)深冷处理：将均质化处理后的CoCrFeNiB置于液氮中深冷处理；(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB冷轧，得到组织致密的高熵合金。应用：将制得的高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板材料或者用于制造装甲板。

Description

一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法与应用
技术领域
本发明涉及高熵合金技术领域，具体涉及一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法与应用。
背景技术
随着现代战争武器的发展,战斗装备在未来作战中将会遭受更加致命的攻击,对防护技术会提出更新、更高的要求，而采用被动装甲,如均质装甲、复合装甲、反应装甲等组成的组合装甲或模块化装甲,力求做到不被击穿。为提高防弹板的防护性能,特别是抗枪弹的贯穿、炸弹的爆炸及破片杀伤等破坏效应,必须开发防护系数高,能够降低弹头的穿甲动能的材料。目前装甲材料以氧化铝(A12O3)/高性能聚乙烯纤维、碳化硼(B4C)/芳纶复合材料为代表,这些复合材料具有抗弹性能好,生产工艺简便和减重效果明显的特点,当高速弹头击中陶瓷板时,陶瓷板容易分裂成很多碎片,导致一整块材料的破碎、脱落,增大了未防弹面积,造成失效。另一类是软质防弹材料，具有结构简单,重量轻,舒适性好,但是对高速弹头防护效果不好,不能用于防护重型武器,而且不适用于装甲材料。因此，需要提供一种新型材料满足运输车辆、坦克、飞机等重型战斗装备用的防护材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，本发明的制备方法生产效率高，所制备的CoCrFeNiB高熵合金塑性成形性能以及冲击韧性好；本发明的CoCrFeNiB高熵合金可用于诸如运输车辆、坦克、飞机等重型战斗装备用的防护材料。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比将钴、铬、铁、镍、硼单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将所述混合粉末熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中的模具内涂覆润滑剂，干燥后通入惰性气体形成保护气氛；
(4)沉积：将所述金属液加注到金属液包中并通入惰性气体，将所述金属液雾化沉积在所述模具内，即获得CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将所述CoCrFeNiB高熵合金板置于真空加热炉中进行热处理；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮中进行深冷处理；
(7)冷轧：将深冷处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板进行多次冷轧，得到组织致密的高熵合金。
进一步地，步骤(1)中所述钴、所述铬、所述铁、所述镍和所述硼的原子百分比为1：1：1：1：(0.1-1)；所述钴、所述铬、所述铁、所述镍和所述硼的纯度为99.9％。
进一步地，步骤(2)熔炼：将所述混合粉末加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中熔化，得到金属液；所述的坩埚熔炼炉熔化温度为1500-1600℃。
进一步地，步骤(3)中所述的润滑剂为水剂胶体石墨、DFY-1型脂基涂料或锭子油；所述的惰性气体为氩气，且所述氩气的流量为80-100sccm。
进一步地，步骤(4)沉积：将所述金属液加注到金属液包中并通入0.9-1.2MPa的氩气，金属液通过直径为φ3±0.05mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板。
进一步地，步骤(5)均质化处理：将所述CoCrFeNiB高熵合金板置于900-1100℃的真空加热炉中热处理6-12小时。优选地，本发明的制备方法采用均质化处理可以使得CoCrFeNiB高熵合金元素分布均匀，消除偏析。
进一步地，步骤(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮中浸泡24-48小时。优选地，本发明的制备方法采用深冷处理是为了进一步提高CrCoFeNiB高熵合金的塑性变形能力，提高合金的加工性能，为后续轧制做好准备。
进一步地，步骤(7)冷轧：将深冷处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板进行3-5次冷轧，且每次冷轧下压量2-3mm，得到组织致密的高熵合金。优选地，本发明的制备方法进行冷轧，冷轧处理不仅可提高CrCoFeNiB高熵合金的表面光洁度，可避免表面氧化层形成，而且在冷轧处理后可消除高熵合金内部的缺陷并且会形成大量的形变孪晶微结构，形变孪晶能高效的吸收冲击能，提高了合金的冲击韧性。
本发明的CoCrFeNiB高熵合金材料中没有添加铜元素，因此可以降低所得高熵合金材料的密度并提高材料比强度和比刚度。同时在材料中添加了硼元素，硼的原子半径较小，金属液凝固后硼与铬、钴、铁、镍能形成间隙式固溶体，硼原子固溶到晶格的间隙中，随着硼的原子占比提高，CoCrFeNiB高熵合金会形成短程有序的团簇微结构，能有效提高材料的韧性和强度。现有专利中含有锰元素，锰的存在容易形成一些金属化合物，随着硼的含量增加锰形成的金属化合物会增加，适量的金属化合物会提高合金的力学性能，但含量较高后会使金属变脆，韧性降低，因为金属化合物本身是脆相，硬度高脆性大。在本发明专利中，剔除了锰元素，形成的金属合金不含有金属化合物。
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的应用，将上述的制备方法制得的高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌的基板材料或用于制造装甲板。
本发明的有益效果：
本发明提供的被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，通过喷射成形和低温冷轧技术完成，其生产效率高，有利于规模化生产可获得大尺寸坯锭，制备的CoCrFeNiB高熵合金具有好的塑性成型性能、高冲击韧性等特点，可用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于诸如运输车辆、坦克、飞机等战斗装备用的防护材料。本发明的制备方法通过均质化处理、深冷处理以及冷轧处理三种处理方式的共同使用，使得所制备的CoCrFeNiB高熵合金组织和力学性能均匀，易于加工且降低了生产成本，同时在合金内部形成的形变孪晶能进一步提高合金的冲击韧性。
附图说明
图1为实施例1-5制备的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性与硼原子百分比的关系图；
图2为实施例1-5制备的CoCrFeNiB高熵合金抗拉强度与硼原子百分比的关系图；
图3为实施例1-5制备的CoCrFeNiB高熵合金伸长率与硼原子百分比的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比1：1：1：1：0.1将纯度为99.9％的钴、铬、铁、镍、硼五种单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将上述混合金属粉加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中在1500℃下熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中工作台上的矩形模具内部涂覆水剂胶体石墨润滑剂，干燥后通入流量为100sccm的高纯氩气形成保护气氛；
(4)沉积：将上述的金属液加注到金属液包中并通入气压为1.2MPa的高纯氩气，金属液通过直径为φ3.00mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，即获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将上述所得CoCrFeNiB高熵合金板置于1000℃的真空加热炉中热处理12小时；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮(-196℃)中浸泡24小时；
(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB高熵合金板进行3次冷轧，且每次冷轧下压量2mm，即得到组织致密的CoCrFeNiB高熵合金。
应用：将上述实施例1制得的组织致密的CoCrFeNiB高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于制造重型防护装甲板。
测试：通过拉伸试验测量抗拉强度和延伸率，通过夏比(charpy)冲击试验测量冲击韧性，测得上述实施例1制得的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性可达到30J，抗拉强度为600MPa,伸长率为30-35％。
实施例2
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比1：1：1：1：0.3将纯度为99.9％的钴、铬、铁、镍、硼五种单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将上述混合金属粉加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中在1600℃下熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中工作台上的矩形模具内部涂覆DFY-1型脂基涂料润滑剂，干燥后通入流量为80sccm的高纯氩气形成保护气氛；
(4)沉积：将上述的金属液加注到金属液包中并通入气压为1.0MPa的高纯氩气，金属液通过直径为φ3.05mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，即获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将上述所得CoCrFeNiB高熵合金板置于900℃的真空加热炉中热处理10小时；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮(-196℃)中浸泡36小时；
(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB高熵合金板进行5次冷轧，且每次冷轧下压量2mm，即得到组织致密的CoCrFeNiB高熵合金。
应用：将上述实施例2制得的组织致密的CoCrFeNiB高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于制造重型防护装甲板。
测试：通过拉伸试验测量抗拉强度和延伸率，通过夏比(charpy)冲击试验测量冲击韧性，测得上述实施例2制得的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性可达到80J，抗拉强度为800MPa,伸长率为23-25％。
实施例3
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比1：1：1：1：0.5将纯度为99.9％的钴、铬、铁、镍、硼五种单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将上述混合金属粉加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中在1550℃下熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中工作台上的矩形模具内部涂覆水剂胶体石墨润滑剂，干燥后通入流量为90sccm的高纯氩气形成保护气氛；
(4)沉积：将上述的金属液加注到金属液包中并通入气压为0.9MPa的高纯氩气，金属液通过直径为φ2.95mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，即获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将上述所得CoCrFeNiB高熵合金板置于1100℃的真空加热炉中热处理6小时；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮(-196℃)中浸泡30小时；
(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB高熵合金板进行4次冷轧，且每次冷轧下压量3mm，即得到组织致密的CoCrFeNiB高熵合金。
应用：将上述实施例3制得的组织致密的CoCrFeNiB高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于制造重型防护装甲板。
测试：通过拉伸试验测量抗拉强度和延伸率，通过夏比(charpy)冲击试验测量冲击韧性，测得上述实施例3制得的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性可达到150J，抗拉强度为1300MPa,伸长率为15-25％。
实施例4
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比1：1：1：1：0.7将纯度为99.9％的钴、铬、铁、镍、硼五种单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将上述混合金属粉加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中在1500℃下熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中工作台上的矩形模具内部涂覆锭子油润滑剂，干燥后通入流量为100sccm的高纯氩气形成保护气氛；
(4)沉积：将上述的金属液加注到金属液包中并通入气压为1.1MPa的高纯氩气，金属液通过直径为φ3.00mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，即获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将上述所得CoCrFeNiB高熵合金板置于1000℃的真空加热炉中热处理8小时；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮(-196℃)中浸泡48小时；
(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB高熵合金板进行3次冷轧，且每次冷轧下压量3mm，即得到组织致密的CoCrFeNiB高熵合金。
应用：将上述实施例4制得的组织致密的CoCrFeNiB高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于制造重型防护装甲板。
测试：通过拉伸试验测量抗拉强度和延伸率，通过夏比(charpy)冲击试验测量冲击韧性，测得上述实施例4制得的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性可达到130J，抗拉强度为1380MPa,伸长率为10-15％。
实施例5
一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比1：1：1：1：1将纯度为99.9％的钴、铬、铁、镍、硼五种单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将上述混合金属粉加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中在1500℃下熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中工作台上的矩形模具内部涂覆水剂胶体石墨润滑剂，干燥后通入流量为100sccm的高纯氩气形成保护气氛；
(4)沉积：将上述的金属液加注到金属液包中并通入气压为1.2MPa的高纯氩气，金属液通过直径为φ3.00mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，即获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将上述所得CoCrFeNiB高熵合金板置于900℃的真空加热炉中热处理12小时；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮(-196℃)中浸泡40小时；
(7)冷轧：将深冷处理后的CoCrFeNiB高熵合金板进行3次冷轧，且每次冷轧下压量2mm，即得到组织致密的CoCrFeNiB高熵合金。
应用：将上述实施例5制得的组织致密的CoCrFeNiB高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌等防弹材料中的基板,还可用于制造重型防护装甲板。
测试：通过拉伸试验测量抗拉强度和延伸率，通过夏比(charpy)冲击试验测量冲击韧性，测得上述实施例5制得的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性可达到100J，抗拉强度为1400MPa,伸长率为6-8％。
将上述实施例1-5所得CoCrFeNiB高熵合金的冲击韧性、抗拉强度和伸长率的测试结果分别绘制成如图1所示的CoCrFeNiB高熵合金冲击韧性与硼原子百分比的关系图、如图2所示的CoCrFeNiB高熵合金抗拉强度性与硼原子百分比的关系图、如图3所示的CoCrFeNiB高熵合金伸长率与硼原子百分比的关系图；从图1中可以看出CoCrFeNiB高熵合金组分中过高或过低的硼原子百分比均会影响合金的冲击韧性；从图2中可以看出随着硼原子百分比的增加CoCrFeNiB高熵合金的抗拉强度随之增加；从图3中可以看出随着硼原子百分比的增加CoCrFeNiB高熵合金的伸长率随之降低。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)配粉：按所述高熵合金的原子百分比将钴、铬、铁、镍、硼单质粉混合，得到混合粉末；
(2)熔炼：将所述混合粉末熔化，得到金属液；
(3)涂润滑剂：在沉积腔体中的模具内涂覆润滑剂，干燥后通入惰性气体形成保护气氛；
(4)沉积：将所述金属液加注到金属液包中并通入惰性气体，将所述金属液雾化沉积在所述模具内，即获得CoCrFeNiB高熵合金板；
(5)均质化处理：将所述CoCrFeNiB高熵合金板置于真空加热炉中进行热处理；
(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮中进行深冷处理；
(7)冷轧：将深冷处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板进行冷轧，得到组织致密的高熵合金。
2.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述钴、所述铬、所述铁、所述镍和所述硼的原子百分比为1：1：1：1：(0.1-1)；所述钴、所述铬、所述铁、所述镍和所述硼的纯度为99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)熔炼：将所述混合粉末加注到喷射沉积设备的坩埚熔炼炉中熔化，得到金属液；所述的坩埚熔炼炉熔化温度为1500-1600℃。
4.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的润滑剂为水剂胶体石墨、DFY-1型脂基涂料或锭子油；所述的惰性气体为氩气，且所述氩气的流量为80-100sccm。
5.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)沉积：将所述金属液加注到金属液包中并通入0.9-1.2MPa的氩气，金属液通过直径为φ3±0.05mm的喷嘴进行雾化，将金属液雾化沉积在矩形模具内，获得尺寸为1m×2m×0.2m的CoCrFeNiB高熵合金板。
6.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)均质化处理：将所述CoCrFeNiB高熵合金板置于900-1100℃的真空加热炉中热处理6-12小时。
7.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)深冷处理：将均质化处理后的所述CoCrFeNiB高熵合金板置于液氮中浸泡24-48小时。
8.根据权利要求1所述的一种被动重型防弹装甲用高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)冷轧：深冷处理后将CoCrFeNiB合金板冷轧3-5次，每次冷轧下压量2-3mm，得组织致密的高熵合金。
9.一种被动重型防弹装甲用高熵合金的应用，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的高熵合金用于防弹插板、防弹头盔、防弹盾牌的基板材料或用于制造装甲板。
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