CN113278861A - 一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种经由热处理后，因具有纳米相析出故而兼具高强度和高塑性的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金，该合金的组成元素包括Al、Co、Cu、Fe、Ni、Nb，其摩尔比为1：1：1：1：1：0.05。合金的制备过程分为电弧熔炼和热处理。铸态AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金在1200℃下经过5h热处理后，包含FCC和BCC两种晶体结构，其中BCC相上析出弥散的纳米颗粒相，因而合金具有高的强度和良好的塑性。本发明提供了一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，并开发了一种新的制备方法，为高熵合金的力学性能优化带来新的思路和可能，该合金的原料成本较低，熔炼制备以及热处理工艺简单，适合经济、高效的工业生产。

Description

一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金及其制备 方法

技术领域

本发明属于新型合金材料及其制备、加工技术领域，具体涉及一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金及其制备方法。

背景技术

与传统合金相比，高熵合金具有多主元的特点，其组成元素通常在四种或四种以上，且每种主要元素的含量在5％～35％之间。由于高熵合金独特的高熵效应，其主要相为简单固溶体相，通常由FCC相、BCC相和HCP相组成。元素原子半径大小不同使得固溶体相产生晶格畸变，所以合金往往表现较好的硬度和强度，但塑性会有所下降。另一方面，迟滞扩散效应致使纳米相的析出，合金的强度和塑性都会得到进一步提升。因此，为制备出一种符合实际应用需求的高强度、高塑性的高熵合金，需要合理地搭配成分组合并采用合适的制备工艺，实现合金的组织优化从而提高各项力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有纳米相析出的，兼具高强度、高塑性的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金及其制备方法。该方案制得的高熵合金具有良好力学性能，所涉及的成分组合新颖，制备方法简易，热处理的条件简单。

本发明从合金的组织优化和强度、塑性难以兼具等难点出发，采用一种全新的元素组合设计，利用电弧炉和适当的热处理工艺制备出具有纳米相析出的高强度、高塑性的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金，从而实现该系列高熵合金综合力学性能的优化。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，该高熵合金组成元素包括：Al、Co、Cu、Fe、Ni、Nb，六种元素的摩尔比为1：1：1：1：1：0.5。

进一步地，所述高熵合金组成元素分别选用纯度均大于99.9％的Al块、Co块、Cu粒、Fe粒、Ni粒、Nb块作为原材料。

一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金的制备方法，所述制备方法包括电弧熔炼和热处理。

进一步地，所述电弧熔炼包括以下步骤：

1)原料处理：砂纸打磨去除合金原材料的氧化皮，随后将原材料置于无水乙醇中，超声清洗3min去除磨屑和油脂，风干备用；

2)称量配料：根据AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金组成元素的摩尔比计算各元素所需质量，精确量取步骤1)所得处理好的原材料；

3)合金熔炼：将步骤2)量好的原材料按熔点顺序由低到高依次堆叠放于铜模坩埚中，将Ti锭置于坩埚中部，关闭炉腔及阀门。打开旁抽阀开关，开启复合真空计抽真空至5Pa后关闭旁抽阀开关，开启前级阀，打开高阀开关，利用分子泵抽至2×10^-3Pa，随后通入氩气直至炉内气压为-0.05Pa，关闭各处阀门。熔炼时，将钨极下降至距离原料最高点2mm处，先熔Ti锭以去除炉内残余的氧气，熔炼电流为250A，熔炼时间为3-4min，熔炼原料时，将电流调至280A，并在熔炼过程中开启磁搅拌，每个试样熔炼4次，每次熔炼时间为3-4min，熔炼结束待块锭冷却后，放气并打开炉门，取出所得高熵合金块锭。

进一步地，所述合金熔炼采用的是DHL-300型真空电弧炉。

进一步地，所述热处理包括：取上述合金熔炼所得高熵合金块锭切割、真空封装，将封装后的试样放置在铺有氧化铝粉的坩埚内，箱式炉中进行热处理，热处理结束后取出水冷，打磨。

进一步地，所述箱式炉中进行热处理具体为以10℃/min的升温速率升温至1200℃，随后保温5h。

进一步地，所述箱式炉为KSL-1400X型箱式炉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明率先设计了一种由Al、Co、Cu、Fe、Ni、Nb六种元素组合而成的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金；

(2)本发明所制得的高熵合金具有FCC和BCC两种简单固溶体相，同时在BCC相上有纳米相弥散分布，多种相结构可以有效协调合金的力学性能，表现出高强度、高塑性、高硬度等特点；

(3)本发明所用的熔炼设备常见，原材料成本较低，熔炼方式简单，可重复性高且安全可靠；

(4)本发明所用的箱式炉操作简易，热处理工艺简单，可以实现高效、低成本的工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例所制备得到的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金X射线衍射(XRD)谱图。

图2为本发明实施例所制备得到的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金的扫描电镜(SEM)照片。

图3为本发明实施例所制备得到的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金压缩应力-应变曲线。

图4为本发明实施例所制备得到的AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金压缩断口形貌图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行更进一步描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例

一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金：

1、电弧熔炼

(1)原料处理：将合金原材料(纯度均大于99.9％的Al块、Co块、Cu粒、Fe粒、Ni粒、Nb块)的氧化皮由砂纸打磨去除，随后将原材料置于装有无水乙醇的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3min以去除原材料中的磨屑和油脂，将清洗完的试样用吹风机吹干。

(2)称量配料：根据AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金组成元素的摩尔比(1：1：1：1：1：0.5)计算各元素所需质量，采用电子天平精确称量步骤(1)风干后的合金原材料。

(3)合金熔炼：采用DHL-300型真空电弧炉，打开循环冷却水系统，开启机械泵，放气并打开炉腔。熔炼前清理电弧炉炉腔，将步骤(2)量好的合金原材料按熔点顺序由低到高依次堆叠放于铜模坩埚中，将Ti锭置于中部坩埚内，关闭炉腔及各处阀门。打开旁抽阀开关，开启复合真空计，待真空抽至5Pa后关闭旁抽阀开关，开启前级阀，打开高阀开关，利用分子泵抽至2×10^-3Pa，随后通入氩气直至炉内气压为-0.05Pa，关闭各处阀门。熔炼时，将钨极下降至距离原料最高点2mm处，先熔Ti锭以去除炉内残余的氧气，熔炼电流为250A，熔炼时间为3～4min，熔炼原料时，将电流调至280A，并在熔炼过程中开启磁搅拌，每个试样熔炼4次，每次熔炼时间为3～4min。熔炼结束待试样冷却后，放气并打开炉门，取出所得高熵合金块锭。

2、热处理

将上述所得铸态高熵合金块锭切割成10mm×10mm×5mm大小的试样，并在真空封装技术下封装至约Φ15mm×60mm石英管中。将封装后的试样放置在铺有氧化铝粉的坩埚内，在箱式炉中进行热处理。热处理时箱式炉的升温速率为10℃/min，保温温度为1200℃，保温时间为5h，保温结束后用耐火钳取出石英管并快速置于水中，敲碎，令试样与水充分接触以便快速冷却。随后取出试样打磨表面直至光洁。

对热处理前后AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金相组织及力学性能的表征如下：

(1)物相分析：采用PANalytical-Empyrean型X射线衍射仪对合金物相进行分析，工作电压为40kV，扫描速度为4s/步，步长为0.02°，扫描范围为20°-80°。

(2)微观组织：采用Quanta 200FEG型扫描电镜对合金的显微组织和压缩后的断口形貌进行分析。

(3)压缩性能测试：根据国家标准(GB/T7314-2005)中金属材料室温压缩试验方法相关规定切割出长宽比为2：1(3mm×3mm×6mm)的矩形试样，使用MTS型电子万能试验机对试样进行室温压缩试验，压缩应变率为1×10^-4(mm/mm)/s。

利用线切割机将经过热处理后的AlCoCuFeNiNb0.05高熵合金试样切割成若干3mm×3mm×6mm尺寸。先由酒精清洗以清除部分机油以便后续磨样，经240#、800#、1200#、2000#砂纸打磨后，再用酒精清洗去除试样表面油脂。选取部分试样用于XRD测试和压缩性能测试，其余试样经过镶嵌机镶嵌为金相试样后，在抛光机上结合2.5μm金刚石抛光剂将试样表面抛光为镜面，采用王水进行腐蚀，清洗、吹干后用于在扫描电镜下观察显微组织。

采用XRD对所述的高熵合金进行物相分析，其XRD图谱如图1所示，合金的主要相组成为FCC和BCC两种相。

采用扫描电镜对合金的显微组织进行分析，其显微组织照片如图2所示，为典型树枝晶结构，其中枝晶(DR)为BCC相，枝晶间(ID)为FCC相，BCC相上有纳米相均匀分布。

对所述高熵合金的力学性能进行分析，其室温压缩应力-应变曲线如图3所示，其最大压缩强度为1593MPa，断裂应变为23％，屈服强度为709MPa，硬度可达378.1HV。

对所述高熵合金的压缩断口进行分析，其断口形貌如图4所示，图中的局部区域有少量韧窝和撕裂棱，表明AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金的断裂特征为准解离断裂。

以上所描述的实施例仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明。对本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，该高熵合金组成元素包括：Al、Co、Cu、Fe、Ni、Nb，六种元素的摩尔比为1：1：1：1：1：0.5。

2.根据权利要求1所述一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金组成元素分别选用纯度均大于99.9％的Al块、Co块、Cu粒、Fe粒、Ni粒、Nb块作为原材料。

3.制备如权利要求1或2所述一种具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，所述制备方法包括电弧熔炼和热处理。

4.根据权利要求3所述电弧熔炼制备具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，包括以下步骤：

1)原料处理：砂纸打磨去除合金原材料的氧化皮，随后将原材料置于无水乙醇中，超声清洗3min去除磨屑和油脂，风干备用；

2)称量配料：根据AlCoCuFeNiNb_0.05高熵合金组成元素的摩尔比计算各元素所需质量，精确量取步骤1)所得处理好的原材料；

3)合金熔炼：将步骤2)量好的原材料按熔点顺序由低到高依次堆叠放于铜模坩埚中，将Ti锭置于坩埚中部，关闭炉腔及阀门。打开旁抽阀开关，开启复合真空计抽真空至5Pa后关闭旁抽阀开关，开启前级阀，打开高阀开关，利用分子泵抽至2×10^-3Pa，随后通入氩气直至炉内气压为-0.05Pa，关闭各处阀门。熔炼时，将钨极下降至距离原料最高点2mm处，先熔Ti锭以去除炉内残余的氧气，熔炼电流为250A，熔炼时间为3-4min，熔炼原料时，将电流调至280A，并在熔炼过程中开启磁搅拌，每个试样熔炼4次，每次熔炼时间为3-4min，熔炼结束待块锭冷却后，放气并打开炉门，取出所得高熵合金块锭。

5.根据权利要求4所述电弧熔炼制备具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，所述合金熔炼采用的是DHL-300型真空电弧炉。

6.根据权利要求3所述热处理制备具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，包括：取权利要求4所得高熵合金块锭切割、真空封装，将封装后的试样放置在铺有氧化铝粉的坩埚内，箱式炉中进行热处理，热处理结束后取出水冷，打磨。

7.根据权利要求6所述热处理制备具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，所述箱式炉中进行热处理具体为以10℃/min的升温速率升温至1200℃，随后保温5h。

8.根据权利要求6所述热处理制备具有纳米相析出的高强度、高塑性的高熵合金，其特征在于，所述箱式炉为KSL-1400X型箱式炉。

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