CN113528985A - 一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金及其制备方法，其化学式为AaDbEcFdPeBfCgSnh，其中Sn为微合金化元素，式中各元素的含量以原子百分比(at.％)计，具体如下：a为18～23，b为18～23，c为18～23，d为18～23，e为6～12，f为2～6，g为5～10，h为0.5～3，且a+b+c+d+e+f+g+h＝100、e+f+g的和为18～23。同时，A、D、E和F为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种，且A、D、E和F各不相同。该高熵非晶合金性能的可调控性较高、制备工艺简单，具有较高脆性与易破碎性、耐蚀和较高硬度的特点。此外，通过调控成分还能使该合金具有较好的磁性能。本发明对丰富现有高熵非晶合金体系，开发更多具有可调控的优良综合性能的高熵非晶合金。

Description

一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高熵非晶合金领域，尤其涉及一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金及其制备方法。
背景技术
非晶合金(又称金属玻璃)是一类结构中原子排列呈短程有序而长程无序的特点，且化学组分均匀的合金。该类合金的结构中不存在晶界、组织偏析和位错等晶态材料的缺陷，因此，与同成分的晶态材料相比，非晶合金具有独特的力学、物理和化学性能，在航空航天、电力电子、油气勘探与开采等众多领域具有十分重要的潜在应用价值。高熵合金是一类通常由五种或五种以上元素以等原子比或非等原子比组成的合金，其具有高的混合熵值，基于极其复杂的成分组成，该类合金表现出远优于传统材料的综合性能，如高强度、高硬度、高断裂韧性和优异的耐腐蚀性、热稳定性、抗辐照性能等。
高熵非晶合金是兼具有高熵合金多主元的成分特征和非晶合金长程无序的原子结构堆垛特性的一种新型无序合金。该类合金通常也由五种或五种以上元素以等原子比或近等原子比制备而成。这种独特的成分和结构特征，使得该类合金往往显示出一系列独特的物理、化学和力学性能，不仅为深入认知传统非晶合金的形成机制与性能特点提供了新型模型材料，而且有助于进一步拓展非晶合金与高熵合金的潜在应用。然而，目前高熵非晶合金的成分只有几十种远低于非晶合金的2000种，严重制约了对高熵非晶合金性能特点与潜在应用及高熵非晶合金与传统非晶合金内在联系的进一步探索。同时，众所周知微合金化是一种调控非晶合金玻璃形成能力与性能的有效手段，研究者已基于此开发了多种具有独特性能的非晶合金，为非晶合金的基础研究与潜在应用提供了更多的模型材料。然而，对于高熵非晶合金由于其多主元的成分特征，理论上对其微合金化通常需要兼顾微合金化元素与多个主元的作用，进而使微合金化的高熵非晶合金的形成更加复杂，相应的目前对微合金化的高熵非晶合金的开发严重不足。这进一步制约了对该类合金形成与性能的深入探索。因此，有必要开发更多具有不同组分特征与性能特点的高熵非晶合金，对于进一步理解传统非晶合金的形成机制与性能特点、拓展非晶合金与高熵合金的潜在应用，具有十分重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金及其制备方法，解决现有技术的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其化学式为AaDbEcFdPeBfCgSnh，其中Sn为微合金化元素，式中各元素的含量以原子百分比(at.％)计，具体如下：a为18～23，b为18～23，c为18～23，d为18～23，e为6～12，f为2～6，g为5～10，h为0.5～3，且a+b+c+d+e+f+g+h＝100、e+f+g的和为18～23。同时，A、D、E和F为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种，且A、D、E和F各不相同。
进一步的，本发明AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金，优选成分为Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6。
进一步的，本发明AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金，优选成分为Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1。
进一步的，本发明AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金，优选成分为Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5。
上述微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金的制备方法，包括下述步骤：
步骤一：配料
按照AaDbEcFdPeBfCgSnh的化学式称取纯原料；
步骤二：熔炼AaDbEcFdPeBfCgSnh母合金锭：将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中，调节炉内真空度≤5×10－2Pa，熔炼温度1800℃～2500℃，熔炼时间3～10min，随炉冷却后取出母合金锭；
步骤三：制备AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金：
首先利用快速凝固装置中的感应炉将步骤二制备得到的母合金锭完全熔化，然后通过熔体旋淬法将AaDbEcFdPeBfCgSnh熔体快速冷却凝固就可得到AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明所涉及的一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，该合金条带对折弯曲180°脆断，表现出较高的脆性和易破碎性，有利于通过球磨等机械法制备成相应的高熵非晶合金粉末材料，并进一步可利用热压等方法将该高熵非晶合金粉末压制成相应的块体高熵非晶合金材料，从而在更大范围内拓展高熵非晶合金的应用。
2.本发明所涉及的一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其在3wt％氯化钠溶液和0.5mol/l的盐酸溶液中浸泡168小时后均未检测到明显的失重，表现出优异的耐腐蚀性能，是一种具有优异耐腐蚀性能的高熵非晶合金。
3.本发明所涉及的一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，通过调控成分其还能具有约0.5T左右的饱和磁感应强度和不大于20A/m的矫顽力，表现出较好的磁性能。
4.本发明所涉及的一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其还具有较高的室温维氏显微硬度(Hv)，该值约在8.5～10GPa之间。
5.本发明对丰富现有高熵非晶合金体系，开发更多具有较高脆性与易破碎性、耐蚀、较高硬度和良好软磁性能等特点的高熵非晶合金，拓展该类合金的潜在应用具有十分重要的意义。
附图说明
图1为三种优选非晶合金成分铸态试样的X射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其化学式为AaDbEcFdPeBfCgSnh，其中Sn为微合金化元素，式中各元素的含量以原子百分比(at.％)计，具体如下：a为18～23，b为18～23，c为18～23，d为18～23，e为6～12，f为2～6，g为5～10，h为0.5～3，且a+b+c+d+e+f+g+h＝100、e+f+g的和为18～23。同时，A、D、E和F为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种，且A、D、E和F各不相同。
实施例1：
一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，具体为Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6非晶合金，由下述方法制备得到：
步骤一：配料
按成分计算并称取所需的纯度均大于99wt.％的纯Fe、纯V、纯Cr、纯Mn、FeP合金、FeB合金、纯C和纯Sn；
步骤二：熔炼母合金锭
将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中，调节炉内真空度1×10－2Pa，熔炼温度2300℃，熔炼时间6min，随炉冷却后取出母合金锭
步骤三：制备非晶合金
首先将步骤二制备得到的Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化，然后通过熔体旋淬法得到厚度约为30μm的Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6合金带材试样；相应的制备参数为，真空度1×10-2Pa，感应电流17～20A，喷铸压力0.05MPa。
将实施例1制得的Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6铸态合金试样经XRD(如图1所示)、DSC和力学实验的测试与分析，得出：其结构呈单一的非晶态(如图1所示)、条带对折弯曲180°脆断、维氏显微硬度约为9.5GPa。
实施例2：
一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，具体为Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1非晶合金，由下述方法制备得到：
步骤一：配料
按成分计算并称取所需的纯度均大于99wt.％的纯Fe、纯Co、纯Cr、纯Mn、FeP合金、FeB合金、纯C和纯Sn；
步骤二：熔炼母合金锭
将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中，调节炉内真空度1×10－2Pa，熔炼温度2100℃，熔炼时间5min，随炉冷却后取出母合金锭
步骤三：制备非晶合金
首先将步骤二制备得到的Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化，然后通过熔体旋淬法得到厚度约为30μm的Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1合金带材试样；相应的制备参数为，真空度1×10-2Pa，感应电流16～19A，喷铸压力0.05MPa。
将实施例1制得的Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1铸态合金试样经XRD(如图1所示)、DSC和力学实验的测试与分析，得出：其结构呈单一的非晶态(如图1所示)、条带对折弯曲180°脆断、维氏显微硬度约为8.9GPa。
实施例3：
一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，具体为Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5非晶合金，由下述方法制备得到：
步骤一：配料
按成分计算并称取所需的纯度均大于99wt.％的纯Fe、纯Co、纯Cr、纯Ni、FeP合金、FeB合金、纯C和纯Sn；
步骤二：熔炼母合金锭
将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中，调节炉内真空度1×10－2Pa，熔炼温度2000℃，熔炼时间4min，随炉冷却后取出母合金锭
步骤三：制备非晶合金
首先将步骤二制备得到的Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化，然后通过熔体旋淬法得到厚度约为30μm的Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5合金带材试样；相应的制备参数为，真空度1×10-2Pa，感应电流16～18A，喷铸压力0.05MPa。
将实施例1制得的Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5铸态合金试样经XRD(如图1所示)、DSC和力学实验的测试与分析，得出：其结构呈单一的非晶态(如图1所示)、条带对折弯曲180°脆断、维氏显微硬度约为9.1GPa、饱和磁感应强度约0.5T。
以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (5)

1.一种微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其化学式为AaDbEcFdPeBfCgSnh，其中Sn为微合金化元素，式中各元素的含量以原子百分比(at.％)计，具体如下：a为18～23，b为18～23，c为18～23，d为18～23，e为6～12，f为2～6，g为5～10，h为0.5～3，且a+b+c+d+e+f+g+h＝100、e+f+g的和为18～23。同时，A、D、E和F为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种，且A、D、E和F各不相同。
2.如权利要求1所述微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其特征在于：其化学式为Fe21V19.4Cr19Mn19P10B3C8Sn0.6。
3.如权利要求1所述微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其特征在于：其化学式为Fe19Co20Cr21Mn20P8B4C7Sn1。
4.如权利要求1所述微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其特征在于：其化学式为Fe20Co19Cr19Ni20P9B3C8.5Sn1.5。
5.根据权利要求1所述微合金化的脆性耐蚀高熵非晶合金，其特征在于：所述合金的制备方法如下：
步骤一：配料
按照AaDbEcFdPeBfCgSnh的化学式称取纯原料；
步骤二：熔炼AaDbEcFdPeBfCgSnh母合金锭：将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中，调节炉内真空度≤5×10－2Pa，熔炼温度1800℃～2500℃，熔炼时间3～10min，随炉冷却后取出母合金锭；
步骤三：制备AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金：首先利用快速凝固装置中的感应炉将步骤二制备得到的母合金锭完全熔化，然后通过熔体旋淬法将AaDbEcFdPeBfCgSnh熔体快速冷却凝固就可得到AaDbEcFdPeBfCgSnh非晶合金材料。
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赵海朝等: "轻质高熵合金的研究进展与展望", 《稀有金属材料与工程》 *

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