CN113981292A

CN113981292A - 一种强塑性优异的高熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113981292A
Application number: CN202111266051.5A
Authority: CN
Inventors: 王军; 李洪超; 李金山; 寇宏超; 王毅; 袁睿豪; 唐斌
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-01-28

Abstract

本发明公开了一种强塑性优异的高熵合金及其制备方法，其中，高熵合金组成元素及原子百分数为：18‑21％Al，1‑10％Co，15‑19％Cr，20‑24％Fe，33‑41％Ni。采用电弧熔炼法完成上述的高熵合金的制备。本发明所提供的合金中生成了初生BCC相树枝晶和晶间共晶组织。BCC相强度高但塑性低，晶间的共晶组织具有较高强度和塑性，这种共晶组织可以通过背应力强化使初生BCC相协同变形，显著提高强度并保证良好塑性。本发明所提供的强塑性优异的高熵合金具有出色的断裂强度和良好的断后延伸率。其中对于最优成分配比，抗拉强度可达1290MPa，断后延伸率为17.6％，相比于目前已有AlCoCrFeNi系高熵合金，在同一电弧熔炼工艺条件下，强度和塑性都得到了显著提升。

Description

一种强塑性优异的高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高熵合金材料技术领域，尤其涉及一种强塑性优异的高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是近年来涌现出的具有广泛应用潜力的金属材料，它将五种或五种以上元素以等原子比或近等原子比进行合金化，这打破了传统合金单主元成分设计理念，展示与传统合金不同的原子结构排列。高的混合熵使得合金凝固后表现为简单的面心立方、体心立方、密排六方等固溶体结构。独特的物相和原子结构使得高熵合金在低温、高温、辐照以及腐蚀条件下展示了有优异的性能，具有广阔的工程应用前景。

AlCoCrFeNi系高熵合金，具有优异的室温和低温力学性能，是目前研究较为广泛的高熵合金体系之一。不仅如此，通过调整Al、Co、Cr、Fe、Ni这5种元素的配比，可以改变合金组织和相组成进一步对合金的力学性能进行调控。例如，在Al_xCoCrFeNi高熵合金中，随着Al元素含量的提高，合金中FCC相含量降低，BCC相含量升高，同时合金强度提升，塑性下降。

目前已有的AlCoCrFeNi高熵合金体系中，单一的FCC相高熵合金延性好，强度较低，而具有单一的BCC相合金虽然具有较高的屈服强度，但是延性较差，限制了其工程化应用。通过成分调节，在铸造条件下可以得到FCC+BCC的共晶组织，如AlCoCrFeNi_2.1,、Al₁₉Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁等合金，其抗拉强度和拉伸塑性分别达到了1077MPa、1103MPa和16.8％、18.7％，但其强度提高仍然有限。为了未来高熵合金的工程化应用，需要开发高强度高延性的AlCoCrFeNi高熵合金。

发明内容

AlCoCrFeNi高熵合金具有广泛的成分调控空间，通过成分调节可以有效地调控其组织和相组成，这对于开发强塑性优异的AlCoCrFeNi高熵合金具有重要意义。

基于以上考虑，本申请为了提高合金抗拉强度，并保持良好的塑性，提供了一种强塑性优异的高熵合金及其制备方法。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

本发明第一方面提供一种强塑性优异的高熵合金，所述高熵合金组成元素及原子百分数为：18-21％Al，1-10％Co，15-19％Cr，20-24％Fe，33-41％Ni。

本发明第二方面提供一种上述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，包括：

采用电弧熔炼法完成上述的高熵合金的制备。

作为本发明的进一步说明，所述高熵合金的制备原料为：纯度高于99.9％的纯Al、纯Co、纯Cr、纯Fe和纯Ni。

作为本发明的进一步说明，所述电弧熔炼过程在非自耗真空电弧熔炼炉中进行。

作为本发明的进一步说明，所述电弧熔炼过程的工艺条件为：预抽真空至6×10^- ³Pa以下，返充惰性气体至-0.05MPa作为保护气氛。

作为本发明的进一步说明，所述惰性气体为99.999％的高纯氩气。

作为本发明的进一步说明，所述电弧熔炼过程中附加电磁搅拌，且磁搅拌电流为2-20A，熔炼电流为100-400A。

作为本发明的进一步说明，所述电弧熔炼重复进行4～5次，其中每一次熔炼完成后均翻转所述高熵合金铸锭以进行下一次熔炼。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所提供的合金中生成了BCC相树枝晶和晶间共晶组织。BCC相强度高但塑性低，晶间的共晶组织具有较高强度和塑性，这种共晶组织并且可以通过背应力强化使BCC相协同变形，显著提高强度并保证良好塑性。本发明所提供的强塑性优异的高熵合金具有出色的断裂强度和良好的断后延伸率。其中对于最优成分配比，抗拉强度可达1290MPa，断后延伸率为17.6％，相比于已有AlCoCrFeNi高熵合金，在同一电弧熔炼工艺条件下，强度和塑性都得到了显著提升。

附图说明

图1为本发明实施例1和4中制备得到的高熵合金的扫描电镜图片；

图2为本发明实施例1～4中制备得到的高熵合金力学性能。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明提供了一种强塑性优异的高熵合金，所述高熵合金组成元素及原子百分数为：18-21％Al，1-10％Co，15-19％Cr，20-24％Fe，33-41％Ni。

由于合金的平均价电子浓度VEC(Valence Electron Concentration)对AlCoCrFeNi高熵合金相组成影响很大，VEC较小会使合金完全由BCC相组成，显著降低合金塑性。因此本发明提供的AlCoCrFeNi高熵合金在以上合金成分内VEC不低于7.5。在以往的研究中，Al元素可以有效提高AlCoCrFeNi合金强度，因此上述AlCoCrFeNi高熵合金Al元素含量不低于18％。此外，相比于AlCrFeNi高熵合金，少量添加Co元素有利于合金的应变强化和均匀变形，这促进了合金抗拉强度和拉伸塑性的提高，因此Co元素含量在1-10at.％之间。申请人通过对以上三种成分的反复调整及大量实验，最终确定了本发明中的高熵合金组成元素及原子百分数，从而达到了显著提高合金强度和塑性的目的。

上述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，包括：

以纯度高于99.9％的纯Al、纯Co、纯Cr、纯Fe和纯Ni为原料，采用组成元素及原子百分数为：18-21％Al，1-10％Co，15-19％Cr，20-24％Fe，33-41％Ni的高熵合金配比，采用电弧熔炼法完成上述的高熵合金的制备。

其中，所述电弧熔炼过程在非自耗真空电弧熔炼炉中进行。且所述电弧熔炼过程的工艺条件优选为：预抽真空6×10^-3Pa，返充惰性气体至-0.05MPa作为保护气氛；所述惰性气体为99.999％的高纯氩气。

进一步的，为保证成分均匀，上述电弧熔炼过程中附加电磁搅拌，且磁搅拌电流为2-20A，熔炼电流为100-400A。

更进一步的，为了提高最终所得成品铸锭的成分均匀性，所述电弧熔炼重复进行4～5次，其中每一次熔炼完成后均翻转所述高熵合金铸锭以进行下一次熔炼。

以下以优选的几个实施例进行具体说明。

实施例1

本实施例的强塑性优异的高熵合金的组成元素及原子百分数为：19％Al，1％Co，19％Cr，20％Fe，41％Ni。

该合金的制备方法包括以下步骤：

以纯度高于99.9％的纯Al、纯Co、纯Cr、纯Fe、纯Ni为原料，电弧熔炼在非自耗真空电弧熔炼炉中进行，预抽真空6×10^-3Pa，返充高纯氩气(99.999％)至-0.05MPa作为保护气氛；

所述电弧熔炼重复进行4～5次，其中每一次熔炼完成后都翻转合金铸锭以进行下一次熔炼，以提高最终所得成品铸锭的成分均匀性。

扫描电子显微镜表征本实施例所制备的合金的初始组织，结果如附图1所示，其组织呈现为初生的BCC相和相间共晶组织。将得到的合金铸锭切成平行段为8*2*1.5mm³的板状拉伸试样，拉伸速率为1*10^-3/s进行拉伸性能测试，结果表明其抗拉强度为1290MPa，断后延伸率为17.9％，如附图2(a)所示。

实施例2

本实施例的强塑性优异的高熵合金的组成元素及原子百分数为：19％Al，5％Co，18％Cr，20％Fe，38％Ni。

该合金的制备方法包括以下步骤：

将得到的合金铸锭切成平行段为8*2*1.5mm³的板状拉伸试样，拉伸速率为1*10^-3/s进行拉伸性能测试，结果表明其抗拉强度为1259MPa，断后延伸率为16.4％，如附图2(a)所示。

实施例3

本实施例的强塑性优异的高熵合金的组成元素及原子百分数为：18％Al，8％Co，17％Cr，24％Fe，33％Ni。

该合金的制备方法包括以下步骤：

将得到的合金铸锭切成平行段为8*2*1.5mm³的板状拉伸试样，拉伸速率为1*10^-3/s进行拉伸性能测试，结果表明其抗拉强度为1239MPa，断后延伸率为15.3％，如附图2(a)所示。

实施例4

本实施例的强塑性优异的高熵合金的组成元素及原子百分数为：20％Al，10％Co，15％Cr，20％Fe，35％Ni。

该合金的制备方法包括以下步骤：

扫描电子显微镜表征本实施例所制备合金的初始组织，结果如附图1所示，其组织仍未初生的BCC相和相间的共晶组织。将得到的合金铸锭切成平行段为8*2*1.5mm³的板状拉伸试样，拉伸速率为1*10^-3/s进行拉伸性能测试，结果表明其抗拉强度为1272MPa，断后延伸率为16.0％，如附图2(a)所示。

以上是对本申请较佳实施例的说明，通过图2(b)也可以看出，这些示例的强塑性匹配显著高于目前已有AlCoCrFeNi系高熵合金。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种强塑性优异的高熵合金，其特征在于，所述高熵合金组成元素及原子百分数为：18-21％Al，1-10％Co，15-19％Cr，20-24％Fe，33-41％Ni。

2.一种权利要求1所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：

采用电弧熔炼法完成权利要求1所述的高熵合金的制备。

3.根据权利要求2所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述高熵合金的制备原料为：纯度高于99.9％的纯Al、纯Co、纯Cr、纯Fe和纯Ni。

4.根据权利要求2所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述电弧熔炼过程在非自耗真空电弧熔炼炉中进行。

5.根据权利要求2所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述电弧熔炼过程的工艺条件为：预抽真空至6×10^-3Pa以下，返充惰性气体至-0.05MPa作为保护气氛。

6.根据权利要求5所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为99.999％的高纯氩气。

7.根据权利要求2所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述电弧熔炼过程中附加电磁搅拌，且磁搅拌电流为2-20A，熔炼电流为100-400A。

8.根据权利要求2所述的强塑性优异的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述电弧熔炼重复进行4～5次，其中每一次熔炼完成后均翻转所述高熵合金铸锭以进行下一次熔炼。