CN113584371A - 一种具有桁架结构的析出强化型高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有桁架结构的析出强化型高熵合金及其制备方法，属于高熵合金领域。该方法是将金属原料按照摩尔比精准配料；去除氧化皮后在电弧炉中熔炼8遍左右，得到母合金锭。将合金锭封管置于1200℃的热处理炉中保温12小时并淬火；然后对得到的合金进行冷轧，轧制量为80％；然后置于1200℃的热处理炉中保温2min进行再结晶；然后置于550℃的热处理炉中保温1小时并淬火。本发明通过优化合金成分及热处理工艺，制备一种具有桁架结构的高熵合金，为高熵合金的第二相析出提供了全新的方向。制备的合金具有较好的强塑性匹配，屈服强度为565MPa，抗拉强度达到1067MPa，延伸率仍然高达47％。除此之外，合金还具有较高的应变硬化率。

Description

一种具有桁架结构的析出强化型高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有桁架结构的析出强化型高熵合金及其制备方法，属于高熵合金领域。
背景技术
传统的单主元合金或二主元合金经历几十年的发展已经趋于成熟，某些合金甚至已经到达性能优化的瓶颈。高熵合金突破传统合金单主元的设计方法，开创了合金设计的新方向。由于具有复杂的合金构成及简单的晶体结构，高熵合金表现出了优异的力学性能。高熵合金的发展被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一，多组元高熵合金的设计思路不同于传统的合金，通过适当调节组元的种类和含量可以开发出大量具有特殊性能的合金体系，众所周知，组织决定性能，而析出强化是提升工程结构材料的最有效方式之一。第二相的形态和尺寸均对性能产生一定影响，高含量的纳米级的第二相能显著提高合金的力学性能，L12就是一种典型的析出强化相，广泛应用在各种合金体系中。
根据现有文献对L12析出相的研究，L12相的析出温度主要在550℃～900℃，溶解温度一般在1000℃左右，且L12析出相在高温阶段容易发生软化和粗化。为了进一步提高高温合金的使用温度，需要提高L12析出相的溶解温度、高温抗软化和抗粗i化的能力。L12析出相的主要形成元素为Al，Ti，Mo，W，Nb，Ta等，Fernando L.Reyes Tirado等人认为Ta元素能够提高L12析出相的稳定性、溶解温度，以及提升高温强度。S.K.Makineni等人利用第一性原理计算，发现在Co3(Al,Mo)-L12析出相中加入Ta元素能够提高L12析出相的稳定性，随着Ta含量的提高，与D019结构相比，L12结构的形成焓值ΔfH0更负。R.C.Reed等人认为V元素能够稳定并强化L12析出相。因此，通过引入V、Ta元素，在高熵合金中设计得到多组分金属间化合物纳米颗粒的L12析出相，对改善L12析出相的性质具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金及其制备方法。本发明通过设计一类新型的高熵合金成分并调控热处理工艺，制备出具有桁架结构的高熵合金。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种具有桁架结构的析出强化型高熵合金成分表达式为：CoaCrbFecNidVeTaf(原子摩尔比)，其中0≤a≤30，0≤b≤30，0≤c≤30，0≤d≤30，3≤e≤8，3≤f≤8，且a+b+c+d+e+f＝100。
所述高熵合金成分的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝10,f＝7.5。
一种具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、配料：按照上述成分方案采用工业纯金属元素(纯度大于99.9％)配比成分。
步骤二、熔锭：在钛吸氧的氩气保护气氛下的电弧炉中，将步骤1)中的各组分配料熔炼混合均匀，电弧熔炼8次左右，确保合金成分的均匀，之后再炉内铜坩埚冷却得到所需要的母合金铸锭。
步骤三、对所得到的母合金铸锭进行冷轧，轧制量为80％。
步骤四、固溶处理：将母合金铸锭置于1200℃的热处理炉中，保温12h后，淬火。
步骤五、热处理：将固溶态的合金锭置于550℃的热处理炉中，保温1小时后，淬火，获得具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金材料。
有益效果
1、本发明所制备的高熵合金，具有纳米级L12相，该组织结构具有较好的强化效果，显著提升合金的硬度和强度。
2、本发明所制备的高熵合金中含有的L12相具有难以比拟的高温稳定性，与其他合金体系中的L12相的溶解温度对比，本发明所制备的高熵合金中的L12相的溶解温度具有明显的优势，远高于其他文献所报道的L12相的溶解温度
3、本发明提供的L12相的高熵合金都是通过普通的金属材料制备，在应用中具有安全性和经济性等优点。
附图说明
图1为合金在550℃下保温1小时后的SEM图像；
图2为合金在550℃下保温1小时后的选区电子衍射图像和中心暗场像；其中，图a为550℃保温1小时后的选区电子衍射图；图b和图c为不同放大倍数下的中心暗场像。
图3为合金在1200℃保温3天后的选区电子衍射花样和中心暗场像；其中，图a为1200℃保温3天后的选区电子衍射图；图b和图c为不同放大倍数下的中心暗场像。
图4为合金在室温拉伸工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
所述具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝10,f＝7.5。
制备上述合金的方法，包括如下步骤：
步骤一：选用纯度高于99.9％的纯金属材料Co、Cr、Fe、Ni、V、Nb、Ta，采用砂轮机去除原材料的氧化皮，露出光亮的金属表面，备用。
步骤二：将步骤一处理过的Co、Cr、Fe、Ni、V、Nb、Ta金属按照合金表达式根据a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝10,f＝7.5。的摩尔比，换算成质量百分比进行配比称料，将称量好的原料在超声清洗仪中清洗20分钟。
步骤三：将处理好的原料、按照熔点的高低放入到非自耗高真空熔炼炉坩埚中；关闭炉门，打开冷却水，对样品室进行抽真空；当腔体真空度为2.5*10-3Pa时，停止抽真空，通入浓度为0.05～0.08MPa氩气；
步骤四：开启电弧焊机，首先将其中一个铜坩埚内的纯钛熔炼，吸收样品室内的残余气体；然后对每个坩埚内的CoaCrbFecNidVeTa合金进行熔炼，合金保持液态的时间为1.5min～3分钟；在熔炼过程中开启2遍磁搅拌以保证金属原子良好的混合；合金熔炼完毕后待其冷却，取出铸锭。
步骤五：将所得的木合金锭冷轧处理，轧制量为80％。随后对轧制后的合金锭封管，在1200℃下保温12小时，淬火；将固溶态的合金锭线切割成合适的小方块，将小方块封管，在550℃下保温1小时，淬火，最终得到本发明所述的具有桁架结构的的新型析出强化型高熵合金。所得的合金的屈服强度和抗拉强度分别为565MPa和1067MPa，延伸率仍然高达47％。除此之外，合金还具有较高的应变硬化率。
实施例2
所述具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝10,e＝7.5,f＝7.5。
后序步骤与实施例1相同。
实施例3
所述具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝7.5,f＝10。
后序步骤与实施例1相同。
对上述合金材料进行表征：
1)观察微观形貌
用扫描电镜观察Co25Cr25Fe25Ni7.5V10Ta7.5的微观形貌，图1为Co25Cr25Fe25Ni7.5V10Ta7.5的SEM图像，可以观察到该合金具有桁架结构。
2)观察相组成
图2为合金在550℃下保温1小时后的(a)选区电子衍射图像和(b,c)暗场像，合金中出现了超点阵衍射花样，为典型的L12析出相。图3为合金在1200℃保温3天后的选区电子衍射花样和透射暗场像；合金中出现了超点阵衍射花样，为典型的L12析出相。说明该合金中的L12相的溶解温度具有明显的优势。
3)测试力学性能
图4为合金在室温拉伸工程应力-应变曲线，表明制备的合金具有较好的强塑性匹配，屈服强度为565MPa，抗拉强度达到1067MPa，延伸率仍然高达47％。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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 (5)

1.一种具有桁架结构的新型析出强化型高熵合金，其特征在于：具有桁架结构如图1所示；按原子摩尔比，成分表达式为：CoaCrbFecNidVeTaf，其中0≤a≤30，0≤b≤30，0≤c≤30，0≤d≤30，3≤e≤8，3≤f≤8，且a+b+c+d+e+f＝100。
2.如权利1要求所述的一种桁架结构的高熵合金，其特征在于：所述高熵合金成分的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝10,f＝7.5。
3.如权利1要求所述的一种桁架结构的高熵合金，其特征在于：所述高熵合金成分的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝10,e＝7.5,f＝7.5。
4.如权利1要求所述的一种桁架结构的高熵合金，其特征在于：所述高熵合金成分的原子百分比表达式为CoaCrbFecNidVeTaf,a＝25,b＝25,c＝25,d＝7.5,e＝7.5,f＝10。
5.一种具有新型桁架结构高熵合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、配料：按照上述成分方案采用纯度大于99.9％的工业纯金属元素配比成分；
步骤二、熔锭：在钛吸氧的氩气保护气氛下的电弧炉中，将步骤一中的各组分配料熔炼混合均匀，电弧熔炼8次左右，确保合金成分的均匀，之后再炉内铜坩埚冷却得到所需要的母合金铸锭；
步骤三、对所得到的母合金铸锭进行冷轧，轧制量为80％；
步骤四、固溶处理：将母合金铸锭置于1200℃的热处理炉中，保温12h后，淬火；
步骤五、热处理：将固溶态的合金锭置于550℃的热处理炉中，保温1小时后，淬火，获得含有桁架结构的高熵合金材料。
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