CN114457273B - 一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法，所述耐腐蚀软磁高熵合金的通式为(Fe2.25Co1.25Cr)100‑t(AlaSibMoc)t，其中0≤a≤2，0≤b≤1，0≤c≤1，0<t<20。本发明合金软磁性能优秀，饱和磁化强度(MS)超过141emu/g，矫顽力(HC)小于2.9Oe，电阻率超过110μΩ·cm；在3.5wt.％NaCl(模拟海水)溶液中耐腐蚀性能优秀，耐氯离子点蚀能力优于304不锈钢；同时具有良好的力学性能，其室温下铸态压缩屈服强度达到1100MPa，塑性超过33％，合金维氏硬度超过469Hv。本发明的耐腐蚀软磁高熵合金铸锭配方科学、合理，其制备方法简单、易行。

Description

一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术，尤其涉及一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法。
背景技术
目前工业上常用的软磁材料包括硅钢，铁钴合金，铁镍合金等传统合金，这些金属材料均无法满足在极端环境，尤其是海洋环境中应用的耐腐蚀要求。海洋环境中应用的软磁合金不仅要求合金具有优异的软磁性能，对合金的耐腐蚀能力也有极高的要求，海洋环境中合金极易发生腐蚀，尤其是点蚀现象，对合金造成巨大损伤，导致合金的失效。目前，常用的软磁合金大都不含耐腐蚀元素铬，或者含量很低，因此耐腐蚀能力差，达不到海洋环境中的应用要求。并且由于耐腐蚀的重要组成元素铬是具有反铁磁性，铬元素的添加会损害合金磁性能，甚至使合金消磁，这限制了耐腐蚀软磁合金的成分设计和应用。
所以，亟待解决腐蚀性能和软磁性能之间的矛盾，获得耐腐蚀性能优异的软磁材料。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统软磁材料的腐蚀性能和软磁性能之间矛盾的问题，提出一种耐腐蚀软磁高熵合金，该合金软磁性能优异，海洋环境中具有优秀的耐腐蚀性能，同时铸态下具有良好的力学性能。该耐腐蚀软磁高熵合金的综合性能远超大部分传统软磁合金。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耐腐蚀软磁高熵合金，其通式为(Fe2.25Co1.25Cr)100-t(AlaSibMoc)t，其中(AlaSibMoc)的原子摩尔含量为3％-20％,(Fe2.25Co1.25Cr)的原子摩尔含量为80％-97％，其中a,b,c为摩尔比，分别为0≤a≤2，0≤b≤1，0≤c≤1，0<t<20。
进一步的，所述耐腐蚀软磁高熵合金中3<t<16。
进一步地，所述耐腐蚀软磁高熵合金中0≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.2。
本发明的另一个目的还公开了一种耐腐蚀软磁高熵合金的制备方法，包括以下步骤：将Fe、Co、Cr、Si、Mo和Al按照配比堆放后采用真空磁悬浮熔炼或真空电弧熔炼，获得耐腐蚀软磁高熵合金。
进一步地，所述真空磁悬浮或真空电弧熔炼过程包括以下步骤：熔配合金时，所述Al、Si放在最下面，所述Fe、Co、Mo和Cr放在最上面。
进一步地，在真空磁悬浮或真空电弧熔炼过程中，抽真空至5×10-3Pa—3×10- 3Pa，然后反冲氩气至0.03Mpa—0.05Mpa，能很好的保护所熔炼的合金不发生氧化。
进一步地，所述真空电弧熔炼时，合金铸锭翻转熔炼五至七次，以保证成分均匀。
进一步地，所述真空磁悬浮熔炼时，合金铸锭翻转熔炼四至六次，以保证成分均匀。
进一步地，Fe、Co、Cr、Si、Mo和Al皆选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。
本发明的另一个目的还公开了所述耐腐蚀软磁高熵合金在腐蚀环境下应用的电机、电磁阀等电磁领域设备中磁芯等关键金属部件的用途。
本发明耐腐蚀软磁高熵合金配方科学、合理，其制备方法简单、易行。本发明所述耐腐蚀软磁高熵合金与现有技术相比较具有以下优点：
1、本发明耐腐蚀软磁高熵合金包含了特定的元素选择和组配，其中Cr、Si、Mo能提高合金的耐腐蚀性；Fe和Co元素能提高合金的磁性能；Al、Si元素提高合金的力学性能。这些元素在特定配比下，具有鸡尾酒效应能够使合金同时具有优异的软磁性能，耐腐蚀性能和良好的力学性能。
2、该合金铸态下力学性能优良，在非自耗真空电弧熔炼条件下得到的铸锭，无需经过任何热处理工艺和变形强化工艺处理，其室温下压缩屈服强度均超1100Mpa，应变超过33％，合金维氏硬度超过469Hv。
3、本发明耐腐蚀软磁高熵合金具有优异的软磁性能，其饱和磁化强度(MS)超过141emu/g，矫顽力(HC)小于2.9Oe，电阻率大于110μΩ·cm。
4、本发明的耐腐蚀软磁高熵合金具有优异的耐腐蚀性能，在3.5wt.％NaCl(模拟海水)溶液中耐腐蚀能力优秀，耐点蚀能力超过304不锈钢，钝化膜稳定性远超304不锈钢。
5、本发明耐腐蚀软磁高熵合金中的各元素容易获得，合金的制备方法简单，采用常规的真空电弧熔炼或真空磁悬浮熔炼即可。该合金不需要热处理和后续复杂的加工工艺，即能拥有优良的软磁性能，耐腐蚀性能和力学性能。
综上，本发明的耐腐蚀高熵合金，具有优秀的耐腐蚀能力，优秀的软磁性能和良好的力学性能，综合性能远超大部分传统软磁合金，在电磁领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1中(a)为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金在室温下的磁滞回线，(b)为该磁滞回线的中心局部放大图；
图2为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金在3.5wt.％NaCl溶液中电化学腐蚀试验的动电位极化曲线图；
图3为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金XRD衍射分析图谱；
图4为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金室温压缩性能曲线；
图5为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金室温下维氏硬度图；
图6中(a)为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金在室温下的磁滞回线，(b)为该磁滞回线的中心局部放大图；
图7为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金在3.5wt.％NaCl溶液中电化学腐蚀试验的动电位极化曲线图；
图8为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金XRD衍射分析图谱；
图9为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金室温压缩性能曲线；
图10为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金室温下维氏硬度图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种Fe-Co-Cr-Al耐腐蚀软磁高熵合金，其通式为(Fe2.25Co1.25Cr)94Al6。
(Fe2.25Co1.25Cr)94Al6具体制备方法如下：将原料Fe、Co、Ni、Cr和Al按照通式所示摩尔比堆放，其中Fe、Co、Ni、Cr和Al元素皆选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。然后采用真空电弧熔炼或真空磁悬浮熔炼，熔配合金时，所述Al放在最下面，所述Fe、Co、Ni、Cr放在最上面，抽真空至3×10-3Pa，然后反冲氩气至0.05MPa。电弧熔炼时每一个合金锭至少熔炼五次，以保证成分均匀。
图1为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金在室温下的磁滞回线和中心局部放大图，从图中可以看出，本发明的合金相比于传统合金，具有优异的软磁性能，饱和磁化强度(MS)超过141emu/g，矫顽力(HC)小于2.9Oe，剩磁比小于0.035％，电阻率116μΩ·cm。图2为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金在3.5wt.％NaCl溶液中电化学腐蚀试验的动电位极化曲线图，本实施例耐腐蚀软磁高熵合金样品的耐腐蚀性能优秀，耐点蚀能力优于304不锈钢。
合金腐蚀实验过程如下：首先将本实施例耐腐蚀软磁高熵合金样品切成3mm厚的薄片(10mm×10mm)，进行双面精磨及单面抛光。随后使用电化学工作站在3.5wt.％NaCl溶液中进行极化曲线测试，开路电位测试1小时至电位稳定，极化曲线测试电压范围相对于开路电位±1V，扫描速率1mV/s。
图3为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金的XRD衍射分析图谱，XRD图表明该合金均由BCC结构相组成。图4为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金室温压缩性能曲线，图5为实施例1耐腐蚀软磁高熵合金室温下维氏硬度图，表明了该合金具有优良的力学性能。
实施例2
本实施例公开了一种Fe-Co-Cr-Al耐腐蚀软磁高熵合金，其通式为(Fe2.25Co1.25Cr)90Al10。
(Fe2.25Co1.25Cr)90Al10具体制备方法如下：将原料Fe、Co、Ni、Cr和Al按照通式所示摩尔比堆放，其中Fe、Co、Ni、Cr和Al元素皆选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。然后采用真空电弧熔炼或真空磁悬浮熔炼，熔配合金时，所述Al放在最下面，所述Fe、Co、Ni、Cr放在最上面，抽真空至3×10-3Pa，然后反冲氩气至0.05MPa。电弧熔炼时每一个合金锭至少熔炼五次，以保证成分均匀。
图6为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金在室温下的磁滞回线和中心局部放大图，从图中可以看出，本发明的合金相比于传统合金，具有优异的软磁性能，饱和磁化强度(MS)超过132emu/g，矫顽力(HC)小于2.1Oe，剩磁比小于0.027％，电阻率123μΩ·cm。图7为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金在3.5wt.％NaCl溶液中电化学腐蚀试验的动电位极化曲线图，本实施例耐腐蚀软磁高熵合金样品的耐腐蚀性能优秀。
合金腐蚀过程实验过程如下：首先将本实施例耐腐蚀软磁高熵合金样品切成3mm厚的薄片(10mm×10mm)，进行双面精磨及单面抛光。随后使用电化学工作站在3.5wt.％NaCl溶液中进行极化曲线测试，开路电位测试1小时至电位稳定，极化曲线测试电压范围相对于开路电位±1V，扫描速率1mV/s。
图8为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金的XRD衍射分析图谱，XRD图表明该合金均由BCC结构相组成。图9为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金室温压缩性能曲线，图10为实施例2耐腐蚀软磁高熵合金室温下维氏硬度图，表明了该合金具有优良的力学性能。
实施例3
本实施例公开了一种耐腐蚀软磁高熵合金，其通式为(Fe2.25Co1.25Cr)85(AlSi0.25)15。本实施例耐腐蚀软磁高熵合金所述制备方法与实施例1和实施例2相同。
经检测本实施例(Fe2.25Co1.25Cr)85(AlSi0.25)15与实施例1(Fe2.25Co1.25Cr)94Al6，实施例2(Fe2.25Co1.25Cr)90Al10同样具有耐腐蚀性能和磁性能，能广泛应用于腐蚀环境下电机，电磁阀等电磁领域设备中的磁芯等关键金属部件。
本发明不局限于实施例1-3任意一项所述耐腐蚀软磁高熵合金的记载，其中a、b、c、t的改变和制备方法的改变，均在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种耐腐蚀软磁高熵合金，其特征在于，其通式为(Fe2.25Co1.25Cr)100-t(AlaSibMoc)t，其中a,b,c为摩尔比，分别为0＜a≤1，0＜b≤0.5，0≤c≤0.2，3≤t≤20，t为原子摩尔含量；
耐腐蚀软磁高熵合金室温下压缩屈服强度均超1100MPa，应变超过33％，合金维氏硬度超过469Hv；耐腐蚀软磁高熵合金饱和磁化强度(MS)超过141emu/g，矫顽力(HC)小于2.9Oe，电阻率大于110μΩ·cm；
所述耐腐蚀软磁高熵合金的制备方法，包括以下步骤：将Fe、Co、Cr、Si、Mo和Al按照配比堆放后采用真空磁悬浮熔炼，获得耐腐蚀软磁高熵合金。
2.根据权利要求1所述耐腐蚀软磁高熵合金，其特征在于，所述真空磁悬浮熔炼过程包括以下步骤：熔配合金时，所述Al、Si放在最下面，所述Fe、Co、Mo和Cr放在最上面。
3.根据权利要求1所述耐腐蚀软磁高熵合金，其特征在于，在真空磁悬浮熔炼过程中，抽真空至3×10-3Pa—5×10-3Pa，然后反充氩气至0.03MPa—0.05MPa。
4.根据权利要求1所述耐腐蚀软磁高熵合金，其特征在于，所述真空磁悬浮熔炼时，合金铸锭翻转熔炼四至六次。
5.根据权利要求1所述耐腐蚀软磁高熵合金，其特征在于，Fe、Co、Cr、Si、Mo和Al皆选用纯度为99.5wt％以上的工业级纯原料。
6.一种权利要求1所述耐腐蚀软磁高熵合金在腐蚀环境中的电机、电磁阀设备的用途。
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