CN113308634A - 一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有强度‑塑性协同效应的新型中熵合金材料，其成分原子百分比为Alx(CoNiV)100‑x(x＝0.01‑10％)，采用一种简单的沉淀强化方法，可以获得极高的比屈服强度。同时其具有从低温到中温的持续优异的强度‑塑性协同作用以及高温下的超塑性行为。该合金材料成分的发现为在较宽的温度范围内设计具有先进强度‑延性组合的沉淀强化轻质合金材料开辟了道路，并阐明了潜在的微观机制。

Description

一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料。

背景技术

冶金学家一直梦想在一个温度下同时制造出具有超高抗拉强度和优良延展性(塑性应变大于30％)的合金，甚至在更宽的温度范围内制造出具有力学性能更好的合金。合金的力学响应显著地依赖于使用温度，并且对于一种特定的合金来说，在较宽的温度范围内具有优良的强度-塑性组合是极其困难的。先进的结构材料必须具有高的损伤极限而不致过早断裂。与传统的合金设计相比，近年来出现的高熵合金或中熵合金提出了一种非常规的概念和方法。这些高熵合金和中熵合金是一类由多种主元素组成的新材料，可能具有广泛的性能组合潜力。面心立方高熵合金的特点是室温下屈服强度低，而体心立方高熵合金的延性不足。由于早期的高熵合金研究主要集中在单相微结构上，其从实验室设计的材料到先进结构材料的转变由于其有限的力学性能而成为一个主要的缺点。尽管面心立方结构的高熵合金在冷态时通过激活额外的变形机制变得更强，但在室温下获得超高屈服强度一直是一个挑战。

钒是中熵合金中的一种重要元素，在面心立方和体心立方结构中，钒通过严重的晶格畸变和较大的错配体积提供了强大的固溶体硬化。面心立方结构的CoNiV材料除了具有很高的耐腐蚀性和氢脆性外，还具有最高的屈服强度，这使得含V的中熵合金具有很大的潜力在结构应用方面。目前为止，人们急需研发具有强度-塑性协同效应的、极高的比屈服强度的合金材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供了一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料。采用简单的Al微合金化方法，对面心立方结构的CoNiV中熵合金进行沉淀强化，得到一系列具有双相结构的Al_x(CoNiV)_100-x(x＝0.01-10％)合金。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料，所述新型中熵合金材料成分原子百分比为Al_x(CoNiV)_100-x，其中x＝0.01-10％。

进一步地，所述新型中熵合金材料成分原子百分比优选为Al₅(CoNiV)₉₅合金。

进一步地，所述所述的具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料的制备方法包括以下步骤：

(1)按照所述原子百分比称量铝、钴、镍和钒,例如，5％铝、31.667％钴、31.667％镍和31.666％钒，将称量得到的铝、钴、镍和钒置于真空熔炼炉中，然后抽真空并进行电弧熔炼得到母合金锭子(熔炼温度一般高于1600K)，将母合金锭子翻转并熔炼多次，制得合金片。

(2)将得到的合金片置于石英管中真空密封，在1373K下退火8个小时，然后进行水淬。

(3)将水淬后的合金片进行室温轧制，合金片的厚度减小65％，然后在1173K下退火1个小时，然后再次进行水淬，得到所述新型中熵合金材料。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

(1)在室温下，Al₅(CoNiV)₉₅合金分别表现出1.1GPa和1.5GPa的超高屈服强度和极限抗拉强度，以及近似34％的拉伸伸长率。将温度降低到77K(液氮温度)可获得更高的屈服强度和极限抗拉强度值，分别为1.4GPa和1.9GPa，几乎保持塑性。有趣的是，在723K的中间温度下，仍然获得了1.1GPa的高屈服强度，塑性略有下降，并且有明显的锯齿状流动/响应。

(2)77K时的应变硬化速率高于298K时的应变硬化速率。1073K时，合金的塑性提高了约70％，极限抗拉强度为0.28GPa。

(3)所述新型中熵合金材料表现出最高的环境温度比屈服强度近似150.2MPa·cm3/g。这为设计低密度高强度合金开辟了一条道路，这种合金具有潜在的提高能源效率的潜力，而这正是当今的急迫材料需求。即使在低温下，这种合金的强度-塑性组合也与大多数低温钢相当，因此，使AlCoNiV中熵合金有成为工程应用潜力的候选材料。

附图说明

图1为所发明的新型Al_x(CoNiV)_100-x(x＝0.01-10％)中熵合金材料的室温X射线衍射结果图；

图2为所发明的新型Al₅(CoNiV)₉₅中熵合金材料的电子背散射衍射(EBSD)相位图；

图3为所发明的新型Al_x(CoNiV)_100-x(x＝0.01-10％)中熵合金材料不同温度下的单轴拉伸工程应力-应变曲线，其中，图(a)为Al_0.01(CoNiV)_99.99样品图，图(b)为Al₅(CoNiV)₉₅样品图，图(c)为Al₇(CoNiV)₉₃样品图；

图4所发明的新型Al₅(CoNiV)₉₅中熵合金材料室温下的极限抗拉强度-断裂伸长率与现有其它合金材料的对比图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1～3新型中熵合金材料的原料纯度均≧99％，其原子配比见下表

表1实施例1～3新型中熵合金材料的原料配方原子百分比

实施例1～3新型中熵合金材料的制备方法如下：

(1)按照所述原子百分比称量铝、钴、镍和钒,例如，5％铝、31.667％钴、31.667％镍和31.666％钒，将称量得到的铝、钴、镍和钒置于真空熔炼炉中，然后抽真空并进行电弧熔炼得到母合金锭子(熔炼温度一般高于1600K)，将母合金锭子翻转并熔炼多次，制得合金片。

(2)将得到的合金片置于石英管中真空密封，在1373K下退火8个小时，然后进行水淬。

(3)将水淬后的合金片进行室温轧制，合金片的厚度减小65％，然后在1173K下退火1个小时，然后再次进行水淬，得到所述新型中熵合金材料。

本发明的新型中熵合金材料的物性测量方法如下：

用Cu-Kα射线对制备的样品进行了物相鉴定，实施例1～3的X射线衍射(XRD)测量结果如图1所示，所有观察到的X射线衍射峰主要属于一个面心立方相(fcc)和一个B2相。

一种测定新型中熵合金材料微观结构的方法：

采用TSL-OIM电子背散射衍射(EBSD)系统，用蔡司Supra 55扫描电子显微镜研究所述新型中熵合金材料的微观结构。如图2所示，实施例2的新型中熵合金Al₅(CoNiV)₉₅的电子背散射衍射(EBSD)相位图显示B2相晶粒随机分布在面心立方基体中，这表明我们成功在Al₅(CoNiV)₉₅中熵合金中实现了双相概念。

一种测定新型中熵合金材料力学性能的方法：

用电火花加工方法从所述新型中熵合金材料试样上切下扁平的狗骨状拉伸试样。拉伸试样的标距长度、宽度和厚度分别为8mm、2.2mm和0.85mm。在室温(298K)、液氮温度(77K)和高温(723K-1073K)条件下，采用通用试验机(Cmt5205SANS)以10^-3s^-1的固定应变率进行了单轴拉伸试验。每次拉伸试验重复三次，以确保数据再现性。不同温度下，实施例1～3新型中熵合金材料的单轴拉伸结果如图3所示。

测试实施例1～3新型中熵合金材料在不同温度下的屈服强度，抗拉极限和断裂伸长率，结果如表1所示。

表1不同温度下实施例1～3新型中熵合金材料的屈服强度，抗拉极限和断裂伸长率

从表1中可以看出，在室温下，所述新开发的新型Al₅(CoNiV)₉₅合金材料具有优异的拉伸强度和延展性，室温下所述新型中熵合金材料分别表现出1.1GPa和1.5GPa的超高屈服强度和极限抗拉强度，以及近似34％的拉伸伸长率。将温度降低到77K(液氮温度)可获得更高的屈服强度和极限抗拉强度值，分别为1.4GPa和1.9GPa，几乎保持塑性。在723K的中间温度下，仍然获得了1.1GPa的高屈服强度，塑性略有下降，并且有明显的锯齿状流动/响应。如图4所示，与其它一些合金(如TRIP钢、双相钢，甚至马氏体钢)相比，Al₅(CoNiV)₉₅新型中熵合金材料具有优异的拉伸强度和延展性组合，具有在航空航天领域作为结构材料的潜力。

上述实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料，其特征在于，所述新型中熵合金材料成分原子百分比为Al_x(CoNiV)_100-x，其中x＝0.01-10％。

2.根据权利要求1所述的具有强度-塑性协同效应的新型中熵合金材料，其特征在于，所述新型中熵合金材料成分原子百分比优选为Al₅(CoNiV)₉₅合金。

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