CN113444954A - 一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ni‑Co‑Fe‑B系共晶高熵合金及其制备方法，所述共晶高熵合金的合金组分为NiaCobFecBdMe，M为微量元素，其中，a、b、c、d、e分别为对应元素的摩尔百分比，a>15％，b>15％，5％≤c≤10％，10≤d≤25％，e≥0％，且a+b+c+d+e＝100。本发明的共晶高熵合金采用悬浮熔炼法制备而成。该共晶高熵合金为共晶层片结构，非金属主元在共晶体系中起到重要作用，片层间距小，强、塑性匹配较好，力学性能优异，流动性强，具有优异的铸造性能，在航空航天、机械工业等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于高熵合金技术领域，具体涉及一种共晶高熵合金及其制备方法和用途。
背景技术
高熵合金(HEAs)打破了传统的合金设计理念，是由多主元元素组成的新型合金，但大部分高熵合金流动性和可铸造性较差，成分不均匀，不利于高熵合金的规模化应用。共晶高熵合金(EHEAs)可同时具有高熵合金和共晶合金的特性，减少铸造缺陷，改善了铸造性能。
申请公布号为CN 109750209 A的发明专利公开的“一种超细晶共晶高熵合金及其制备方法”公布了一种超细晶共晶高熵合金，通式为Al1.0Cr1.0CoxFeyNizMniMj。其中，M为Nb元素、Mo元素、W元素、Ti元素、V元素、Zr元素、Cu元素或Si元素中的一种或多种，0≤x≤1.2，0.6≤y≤1.6，z≤3.2，2.8≤x+z≤3.2,i≤y，0≤i+y≤1.6，0≤j≤0.2。
申请公布号为CN 108950349 B的发明专利公开的“一种CoFeNi2VZrx共晶高熵合金及其制备方法”公开了一种CoFeNi2VZrx共晶高熵合金，其组成元素Co、Fe、Ni、V、Zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:x，其中x＝0.5～0.6(摩尔比)。
迄今为止，只有很少几种共晶高熵合金体系被报道，满足工程需要的高熵共晶合金尚需进一步研究，尤其是含非金属主元的共晶高熵合金报道非常少，因此，设计和制备含非金属主元的共晶高熵合金具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金及其制备方法和用途，以解决高熵合金流动性和可铸造性较差的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金，所述共晶高熵合金的合金组分为NiaCobFecBdMe，M为微量元素，其中，a、b、c、d、e分别为对应元素的摩尔百分比，a>15％，b>15％，5％≤c≤10％，10≤d≤25％，e≥0％，且a+b+c+d+e＝100。
所述M为Si、Al、V、Mo、Cr、Nb、Ti中的一种或几种。
一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用物理法或化学法除合金原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料；
(2)按照所述共晶高熵合金的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)将悬浮熔炼炉抽真空后，在悬浮熔炼炉中充入氩气；
(4)熔炼得到具有共晶层片组织的共晶高熵合金。
所述步骤(1)中，物理法为砂纸打磨、喷砂、激光清除的一种或多种，化学法为浸渍酸洗法、喷射酸洗法、酸膏除锈法的一种或多种，使用乙醇超声波清洗合金原料15～20min。
所述步骤(1)中，合金原料的纯度为99.5～100％。
所述步骤(3)中，待悬浮熔炼炉抽取真空度至6×10-3Pa～5×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05～0.06MPa。
通过调节主组元素Fe、Co、Ni、B比例，重点调节非金属主元素B的比例，得到共晶形貌高熵合金。
通过调节微量元素的含量，增强合金组织性能。
所述的共晶高熵合金作为航空航天、机械工业领域的液态成型原料的用途，其中，液态成型包括3D打印、铸造。
有益效果：本发明提供的高熵合金为共晶成分，具有熔点低、流动性好的优点，铸造性能优异，可在低真空、惰性保护气氛下可直接熔炼，制备方法简单，易操作，可实现工业中的大规模应用。
附图说明
图1为实施例制备的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金的显微形貌，其组分为Ni37.5Co37.5Fe7B18。
图2为实施例合金与其他合金粘度对比。
具体实施方式
本发明的一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金，其合金组分为NiaCobFecBdMe，M为微量元素，其中，a、b、c、d、e分别为对应元素的摩尔百分比，a>15％，b>15％，5％≤c≤10％，10≤d≤25％，e≥0％，且a+b+c+d+e＝100。
其中，M为Si、Al、V、Mo、Cr、Nb、Ti中的一种或几种。
一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用物理法或化学法除合金原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料15～20min；其中，物理法为砂纸打磨、喷砂、激光清除的一种或多种，化学法为浸渍酸洗法、喷射酸洗法、酸膏除锈法的一种或多种；合金原料的纯度为99.5～100％。
(2)按照所述共晶高熵合金的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)待悬浮熔炼炉抽取真空度至6×10-3Pa～5×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05～0.06MPa。
(4)熔炼得到具有共晶层片组织的共晶高熵合金。
本发明中，通过调节主组元Fe、Co、Ni、B比例，重点调节非金属主元B的比例，得到共晶形貌高熵合金。通过调节微量元素的含量，增强合金组织性能。
本发明的共晶高熵合金在航空航天、机械工业领域的液态成型中的用途，其中，液态成型包括3D打印、铸造。
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种共晶高熵合金，其组分按摩尔比设计为NiaCobFecBdMe，M为微量元素。其中，a＝36.5％，b＝36.5％，c＝7％，d＝20％，e＝0％，即Ni36.5Co36.5Fe7B20。
共晶高熵合金Ni36.5Co36.5Fe7B20的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用砂纸打磨的方式去除原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料15min；
(2)按照共晶高熵合金Ni36.5Co36.5Fe7B20的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)待抽取真空度至6×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05MPa；
(4)熔炼，得到组织成分均匀的共晶高熵合金Ni36.5Co36.5Fe7B20。
在上述合金组分下制得合金性能如表1所示，与其他合金相比，本实施例制备的合金粘度小(见图2)，流动性好。
表1本实例合金成分及性能(25℃)
实施例2
一种共晶高熵合金，其组分按摩尔比设计为NiaCobFecBdMe，M为微量元素。其中，a＝37.5％，b＝37.5％，c＝7％，d＝18％，e＝0％，即Ni37.5Co37.5Fe7B18。
共晶高熵合金Ni37.5Co37.5Fe7B18的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用砂纸打磨的方式去除原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料20min；
(2)按照共晶高熵合金Ni37.5Co37.5Fe7B18的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)待抽取真空度至6×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05MPa；
(4)熔炼，得到组织成分均匀的共晶高熵合金。
在上述合金组分下制得合金性能如表2所示，与其他合金相比，本实施例制备的合金粘度小(见图2)，流动性好。
表2本实例合金成分及性能(25℃)
实施例3
一种共晶高熵合金，其组分按摩尔比设计为NiaCobFecBdMe，M为微量元素。其中，a＝36.5％，b＝36.5％，c＝5％，d＝20％，e＝2％，M为Si(Al2V)，即Ni36.5Co36.5Fe5B20Si0.5Al1. 0V0.5。
共晶高熵合金Ni36.5Co36.5Fe5B20Si0.5Al1.0V0.5的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用砂纸打磨的方式去除原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料15min；
(2)按照共晶高熵合金Ni36.5Co36.5Fe5B20Si0.5Al1.0V0.5的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)待抽取真空度至6×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05MPa；
(4)熔炼，得到组织成分均匀的共晶高熵合金。
在上述合金组分下制得合金性能如表3所示，与其他合金相比，本实施例制备的合金粘度小(见图2)，流动性好。
表3本实例合金成分及性能(25℃)
通过图2可以看出，本发明所制备的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金粘度远小于现有技术。由于本发明的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金具有熔点低、流动性好、铸造性能优异的优点，因此，能够作为航空航天、机械工业领域的诸如3D打印、铸造等液态成型原料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金，其特征在于：所述共晶高熵合金的合金组分为NiaCobFecBdMe，M为微量元素，其中，a、b、c、d、e分别为对应元素的摩尔百分比，a>15％，b>15％，5％≤c≤10％，10≤d≤25％，e≥0％，且a+b+c+d+e＝100。
2.根据权利要求1所述的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金，其特征在于：所述M为Si、Al、V、Mo、Cr、Nb、Ti中的一种或几种。
3.一种权利要求1或2所述的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采用物理法或化学法除合金原料表面氧化皮，并使用乙醇超声波清洗合金原料；
(2)按照所述共晶高熵合金的各组分比例，将合金原料放入悬浮熔炼炉中的石英试管；
(3)将悬浮熔炼炉抽真空后，在悬浮熔炼炉中充入氩气；
(4)熔炼得到具有共晶层片组织的共晶高熵合金。
4.根据权利要求3所述的Ni-Co-Fe-B系共晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，物理法为砂纸打磨、喷砂、激光清除的一种或多种，化学法为浸渍酸洗法、喷射酸洗法、酸膏除锈法的一种或多种，使用乙醇超声波清洗合金原料15～20min。
5.根据权利要求3所述的共晶高熵合金制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，合金原料的纯度为99.5～100％。
6.根据权利要求3所述的共晶高熵合金制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，待悬浮熔炼炉抽取真空度至6×10-3Pa～5×10-3Pa后充入氩气，并使炉内气压达到0.05～0.06MPa。
7.根据权利要求3所述的共晶高熵合金制备方法，其特征在于：通过调节主组元素Fe、Co、Ni、B比例，得到共晶形貌高熵合金。
8.根据权利要求7所述的共晶高熵合金制备方法，其特征在于：通过调节非金属主元素B的比例，得到共晶形貌高熵合金。
9.根据权利要求3所述的共晶高熵合金制备方法，其特征在于：通过调节微量元素的含量，增强合金组织性能。
10.权利要求1或2所述的共晶高熵合金作为航空航天、机械工业领域的液态成型原料的用途，其中，液态成型包括3D打印、铸造。
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