CN114293063B - 一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法，其能解决现有高熵合金制备成本高、室温强度和塑性差、高温热稳定性差的技术问题。一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，其特征在于，所述合金各组分原子摩尔份数为：C:0‑1份，Si:0‑0.5份，Cu:50‑53份，Fe:10‑15份，Mn:10‑15份，Co:8‑10份，Cr:8‑10份。该合金未添加过渡金属，制备成本低，室温极限拉伸强度不低于640MPa，拉伸塑性应变不低于45％，强度远高于铸造法制备的同类合金，在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在200MPa以上。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法。
背景技术
传统的合金材料一般是以一种或两种金属元素作为基体，添加其他金属或非金属元素来获得特定的组织。目前，传统合金材料已经无法满足日益增长的性能需求。
高熵合金合金是近年来新兴的一种合金设计理念，通常是由5种或5种以上金属或非金属元素配合熔炼，形成的简单单相固溶体结构。
高熵合金通常引入过渡族金属元素，因此合金制备原料成本较高，这在一定程度上限制了其大规模工业化生产。另外，普通高熵合金虽具有良好的塑性，但是室温强度较低，难以满足作为工程结构承载件的要求。一般情况下，通过大塑性变形，可使合金强度得到大幅提高。但是，塑性变形会使合金塑性显著降低，同时引入复杂的处理工序，增加的合金制备成本。另外，经过塑性变形的合金强度，难以具备良好的高温稳定性。
因此，为了更好推动合金工业化生产，发明一种利用铸造法可直接得到的具有成本低、强度高、塑性好、热稳定性好的合金，具有重要的经济和社会意义。
发明内容
本发明提供了一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法，其能解决现有高熵合金制备成本高、室温强度和塑性差、高温热稳定性差的技术问题。
其技术方案是这样的，一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，其特征在于，所述合金各组分原子摩尔份数为：C:0-1份，Si:0-0.5份，Cu:50-53份，Fe:10-15份，Mn:10-15份，Co:8-10份，Cr:8-10份。
上述C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法，其特征在于，该制备过程包括如下步骤：
步骤一：将各原料打磨、清洗、干燥后按照原子摩尔份数完成配比，其中，C、Si元素分别以Fe-Si、Fe-C中间合金形式加入，将Co、Cr、Fe、Mn、Cu、Fe-C、Fe-Si按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于熔炼炉内，并通入氩气保护，将原料完全熔化，磁搅拌混合20~30分钟，冷却得到合金铸锭；
步骤二：将步骤一获得的合金铸锭挪入熔炼炉内，将合金铸锭完全熔化，并通入氩气保护，磁搅拌混合20~30分钟，冷却铸锭，重复该步骤4~5次，获得铸态钮锭试样；
步骤三：将步骤二获得的铸态钮锭试样放置在吸铸铜模内，待合金完全熔化后，利用真空吸铸装置将合金液吸入水冷铜模，得到合金棒材或板材。
步骤四：将步骤三获得的合金棒材或板材放置在真空电阻炉内，在1100℃~1200℃进行6-24小时的固溶处理，随后取出水淬，得到C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的成品。
进一步的，步骤一和步骤二采用真空感应熔炼。
进一步的，步骤一和步骤二中，在真空度低于1×10-3Pa时，充入氩气至5×10-2Pa。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法，具有如下有益效果：
（1）真空电弧炉熔铸法工艺简单，操作简便，成形时间短，采用本发明加工工艺，能耗低，可操作性和实用性好，因此具有良好的发展前景。
（2）通过掺杂C和Si元素，起间隙强化作用，同时提高合金组织稳定性，抑制或消除相变的发生，并配合长时间固溶热处理，使合金相组织趋于稳定。
（3）本发明消除了铸造合金中的粗大枝晶组织和枝晶偏析现象，制备出的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金具有双相面心立方结构，进而提高材料的韧性，促进该系合金的研究和应用。
（4）本发明制备的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金在室温下的最佳力学性能为：极限拉伸强度不低于640MPa，拉伸塑性应变不低于45％，强度远高于铸造法制备的同类合金。
（5）本发明制备的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，Cu含量在50 at.％左右，相对于等原子比的其他高熵合金，其原料成本大幅降低，有利于促进该系合金的工业化生产。
（6）本发明制备的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在200MPa以上，说明该系合金具有良好的高温应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的高强度C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的室温及高温拉伸工程应力-应变曲线。
其中，曲线1测试温度为20℃，曲线2测试温度为300℃，曲线3测试温度为400℃，曲线4测试温度为500℃，曲线5测试温度为800℃。
具体实施方式
实施例1
一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，该合金各组分原子摩尔份数为：C:0.6份，Si:0.4份，Cu:50份，Fe:15份，Mn:15份，Co:9.5份，Cr:9.5份，每一摩尔份数为10mol。
上述C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法如下，
步骤一：将各原料打磨、清洗、干燥后按照原子摩尔份数完成配比，其中，C、Si元素分别以Fe-Si中间合金（采用FeSi，购自天津铸信金属材料有限公司）、Fe-C中间合金（采用FeC，购自北京研邦新材料科技有限公司）形式加入，将Co、Cr、Fe、Mn、Cu、FeC、FeSi按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于真空感应熔炼炉内，并通入氩气保护，炉内温度控制在1950℃，将原料完全熔化，磁搅拌混合25分钟，冷却得到合金铸锭；
步骤二：将步骤一获得的合金铸锭挪入真空感应熔炼炉内，炉内温度控制在1900℃，将合金铸锭完全熔化，并通入氩气保护，磁搅拌25分钟，冷却铸锭，重复该步骤5次，获得铸态钮锭试样；
步骤三：将步骤二获得的铸态钮锭试样放置在吸铸铜模内，待合金完全熔化后，利用真空吸铸装置将合金液吸入水冷铜模，得到合金棒材或板材。
步骤四：将步骤三获得的合金棒材或板材放置在真空电阻炉内，在1100℃进行12小时的固溶处理，随后取出水淬，得到C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的成品，为直径15mm的棒材。
本实施例获得的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，其显微组织为双相面心立方等轴晶结构，晶粒尺寸200um，其室温及高温拉伸工程应力-应变曲线如图1所示，室温20℃下的最佳力学性能为：极限拉伸强度640MPa，拉伸塑性应变48％；在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在210MPa。
实施例2
一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，该合金各组分原子摩尔份数为：C:0.1份，Si:0.05份，Cu:53份，Fe:10份，Mn:12.5份，Co:8份，Cr:10份，每一摩尔份数为10mol。
上述C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法如下，
步骤一：将各原料打磨、清洗、干燥后按照原子摩尔份数完成配比，其中，C、Si元素分别以Fe-Si中间合金（采用FeSi，购自天津铸信金属材料有限公司）、Fe-C中间合金（采用FeC，购自北京研邦新材料科技有限公司）形式加入，将Co、Cr、Fe、Ni、FeC、FeSi按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于真空感应熔炼炉内，并通入氩气保护，炉内温度控制在1950℃，将原料完全熔化，磁搅拌混合30分钟，冷却得到合金铸锭；
步骤二：将步骤一获得的合金铸锭挪入真空感应熔炼炉内，炉内温度控制在1900℃，将合金铸锭完全熔化，并通入氩气保护，磁搅拌30分钟，冷却铸锭，重复该步骤5次，获得铸态钮锭试样；
步骤三：将步骤二获得的铸态钮锭试样放置在吸铸铜模内，待合金完全熔化后，利用真空吸铸装置将合金液吸入水冷铜模，得到合金棒材或板材。
步骤四：将步骤三获得的合金棒材或板材放置在真空电阻炉内，在1150℃进行24小时的固溶处理，随后取出水淬，得到C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的成品，为直径15mm的棒材。
本实施例获得的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，其显微组织为双相面心立方等轴晶结构，晶粒尺寸200um，室温20℃下的最佳力学性能为：极限拉伸强度673MPa，拉伸塑性应变46％；在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在200MPa。
实施例3
一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，该合金各组分原子摩尔份数为：C:1份，Si:0.5份，Cu:52份，Fe:12.5份，Mn:10份，Co:10份，Cr:8份，每一摩尔份数为10mol。
上述C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法如下，
步骤一：将各原料打磨、清洗、干燥后按照原子摩尔份数完成配比，其中，C、Si元素分别以Fe-Si中间合金（采用FeSi，购自天津铸信金属材料有限公司）、Fe-C中间合金（采用FeC，购自北京研邦新材料科技有限公司）形式加入，将Co、Cr、Fe、Ni、FeC、FeSi按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于真空感应熔炼炉内，并通入氩气保护，炉内温度控制在1950℃，将原料完全熔化，磁搅拌混合20分钟，冷却得到合金铸锭；
步骤二：将步骤一获得的合金铸锭挪入真空感应熔炼炉内，炉内温度控制在1900℃，将合金铸锭完全熔化，并通入氩气保护，磁搅拌20分钟，冷却铸锭，重复该步骤4次，获得铸态钮锭试样；
步骤三：将步骤二获得的铸态钮锭试样放置在吸铸铜模内，待合金完全熔化后，利用真空吸铸装置将合金液吸入水冷铜模，得到合金棒材或板材。
步骤四：将步骤三获得的合金棒材或板材放置在真空电阻炉内，在1200℃进行6小时的固溶处理，随后取出水淬，得到C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的成品，为直径15mm的棒材。
本实施例获得的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金，其显微组织为双相面心立方等轴晶结构，晶粒尺寸200um，室温20℃下的最佳力学性能为：极限拉伸强度686MPa，拉伸塑性应变45％；在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在223MPa。
Claims (3)
1.一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法，其特征在于，该制备过程包括如下步骤：
步骤一：将各原料打磨、清洗、干燥后按照原子摩尔份数完成配比，其中，C、Si元素分别以Fe-Si、Fe-C中间合金形式加入，将Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Fe-C、Fe-Si按熔点由低至高的顺序从下至上堆放于熔炼炉内，并通入氩气保护，将原料完全熔化，磁搅拌混合20~30分钟，冷却得到合金铸锭；
步骤二：将步骤一获得的合金铸锭挪入熔炼炉内，将合金铸锭完全熔化，并通入氩气保护，磁搅拌混合20~30分钟，冷却铸锭，重复该步骤4~5次，获得铸态钮锭试样；
步骤三：将步骤二获得的铸态钮锭试样放置在吸铸铜模内，待合金完全熔化后，利用真空吸铸装置将合金液吸入水冷铜模，得到合金棒材或板材；
步骤四：将步骤三获得的合金棒材或板材放置在真空电阻炉内，在1100℃~1200℃进行6-24小时的固溶处理，随后取出水淬，得到C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的成品；
所述合金为双相面心立方结构；所述合金各组分原子摩尔份数为：C:0.1-1份，Si:0.05-0.5份，Cu:50-53份，Fe:10-15份，Mn:10-15份，Co:8-10份，Cr:8-10份；
所述合金在室温下：极限拉伸强度不低于640MPa，拉伸塑性应变不低于45％；
所述合金在800℃高温拉伸，极限抗拉强度仍然保持在200MPa以上。
2.根据权利要求1所述的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法，其特征在于：步骤一和步骤二采用真空感应熔炼。
3.根据权利要求1所述的C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金的制备方法，其特征在于：步骤一和步骤二中，在真空度低于1×10-3Pa时，充入氩气至5×10-2Pa。
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