CN114480941B - 一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 - Google Patents
一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114480941B CN114480941B CN202210043032.4A CN202210043032A CN114480941B CN 114480941 B CN114480941 B CN 114480941B CN 202210043032 A CN202210043032 A CN 202210043032A CN 114480941 B CN114480941 B CN 114480941B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- eutectic
- thermal stability
- entropy alloy
- high strength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法，属于合金材料技术领域，涉及共晶中熵合金及其制备技术领域，采用Cr、Fe、Ti和Nb低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还能保证合金优异的力学性能与铸造性能，合金包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，合金组织包括BCC相与Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织。合金具有高强度的特点，并展现出良好的高温热稳定性。合金采用Fe、Ti、Cr等低价格元素，成本较低，且制备方法简单快捷，因此具有潜在的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，涉及共晶中熵合金及其制备技术领域，具体涉及一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法。
背景技术
多主元合金是由五种及以上元素(每种元素含量为5～35％)构成的新型高性能合金材料。由于多主元合金的设计思路不同于传统合金，这使其能够将多重不同因素进行协同作用，大大地提升了合金的强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等力学性能。
中熵合金作为从多主元合金所衍生出来的一种新型合金材料，它延用了多主元合金的设计思路，即采用二至四种不同元素以等摩尔比或近摩尔比的方式构成。中熵合金具备并发展了多主元合金的一系列优异性能，如中熵合金具备更好的强度、塑性、耐磨性等，但它同时也包含了多主元合金的缺点，如单一固溶体相难以实现强度与塑性的良好匹配，同时由于单一相结构导致了合金的流动性较差，铸件内部存在明显的冶金缺陷，从而严重影响了铸件材料的力学性能。
为解决单一相结构材料的韧性与强度不匹配缺点，以及合金铸造性差的工艺问题，在原有中熵合金的基础上，通过添加特定元素形成第二相，并将第二相与基体相以形成共晶组织的方式相结合，可实现合金强度与韧性的良好匹配，同时显著提升合金的铸造性能。然而，现有共晶中熵合金多含有Co、Hf、Ta等稀贵金属或国家战略金属原料，尽管这类共晶中熵合金具有良好的力学性能，但其昂贵的价格和稀少的储量严重阻碍其更好工业化应用与发展。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法，采用低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还能保证合金优异的力学性能与铸造性能。
为了实现以上目的，本发明提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金，包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，合金组织包括BCC相与Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织。
进一步地，所述合金中Laves相的体积含量为63％。
进一步地，所述合金在铸态的室温抗压强度为2.33GPa。
进一步地，所述合金在1100℃/48h热处理后的室温抗压强度为2.0GPa。
本发明还提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，包括：
(1)按照摩尔百分比Cr：Fe：Ti：Nb＝1：1：1：2称取原料；
(2)将原料充分熔化熔炼后，即得到兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金。
进一步地，所述步骤(1)中将纯度高于99.9at.％的原料Cr、Fe、Ti和Nb进行打磨清洗。
进一步地，所述步骤(2)中原料按熔点由低到高的顺序依次放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中。
进一步地，所述步骤(2)中先将真空电弧熔炼炉的真空度抽至3×10-3～6×10- 3Pa，再充入保护气体，连续重复多次，最终将真空度控制在0.05～0.1Pa进行熔炼。
进一步地，所述步骤(2)中熔炼时将合金锭翻转重熔多次，每次熔炼4～5min，最后将合金锭随炉冷却至室温取出。
进一步地，所述步骤(2)中熔炼前在真空电弧熔炼炉的另一个水冷铜坩埚中放入金属Ti进行熔化除氧。
与现有技术相比，本发明制备的CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的显微组织是由较软的BCC相与较硬的Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织，生产的合金成分与理论成分偏差小，制备的共晶合金具有结晶温度低、流动性好等优点，有助于铸造生产，以满足不同项目的需求，从而降低了产品的制造与加工成本。此外采用Cr、Fe、Ti等低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还保证了合金优异的力学性能与铸造性能。由于合金采用共晶成分，合金在凝固过程中具有较好的流动性，从而保证合金组织的均匀性与铸造性，以便满足大规模的工业化生产要求。
附图说明
图1a是铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的低倍组织扫描电子图像；图1b是铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的高倍组织扫描电子图像；
图2a是热处理后CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的低倍组织扫描电子图像；图2b是热处理后CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的高倍组织扫描电子图像；
图3是铸态和热处理CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的室温压缩应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金，包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，化学成分为CrFeTiNb2.0，CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的显微组织是由较软的BCC相与较硬的Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织，组织中Laves相的体积含量高达63％。合金具有高强度及高热稳定性的特点，铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的室温压缩强度高达2.33GPa，在1100℃/48h热处理后的室温抗压强度为2.0GPa，且共晶组织在1100℃/48h的热处理条件下未发生明显粗化，展现出良好的高温热稳定性。
本发明还提供了一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将纯度高于99.9at.％的原料Cr、Fe、Ti和Nb打磨清洗，按照摩尔百分比Cr：Fe：Ti：Nb＝1：1：1：2称取原料，配制CrFeTiNb2.0共晶中熵合金；
(2)原料按熔点由低到高的顺序依次放入真空电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，先将炉体真空度抽至3×10-3～6×10-3Pa，随后充入保护气体，连续重复多次，最终将真空度控制在0.05～0.1Pa，充分熔化原料并搅拌，合金锭翻转重熔多次，每次熔炼4～5min，最后将合金锭随炉冷却至室温取出，即得铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金。优选地，熔炼前熔炼炉的中的另一水冷铜坩埚中放入金属Ti进行熔化，用以除去残余氧气。
本发明对铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金进行电镜扫描，具体参见图1a和图1b，铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的微观形貌是由较软的BCC相与较硬的Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织，其中深色相为Laves相，其体积分数为63％；浅色相为BCC相，其体积分数为37％。
本发明对制备的铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金在1100℃/48h热处理后进行电镜扫描，具体参见图2a和图2b，经过1100℃/48h热处理后CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的微观形貌与原有铸态合金组织相比无较大变化，热处理条件下未发生明显粗化,表明该合金具有良好的高温稳定性。
本发明分别对铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金和经过1100℃/48h热处理后CrFeTiNb2.0共晶中熵合金进行力学测试，结果具体参见图3，铸态CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的室温抗压强度为2.33GPa，热处理后CrFeTiNb2.0共晶中熵合金的室温抗压强度为2.0GPa。
本发明的制备方法采用简单、快捷的真空电弧熔炼法，生产的合金成分与理论成分偏差小，制备的共晶合金具有结晶温度低、流动性好等优点，有助于铸造生产，以满足不同项目的需求，从而降低了产品的制造与加工成本。此外采用Cr、Fe、Ti等低价格金属原料，在大幅降低合金成本的同时，还保证了合金优异的力学性能与铸造性能。由于合金采用共晶成分，合金在凝固过程中具有较好的流动性，从而保证合金组织的均匀性与铸造性，以便满足大规模的工业化生产要求，具有潜在的工业化应用前景。
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实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金，其特征在于，包括摩尔百分比为1：1：1：2的Cr、Fe、Ti和Nb，合金组织包括BCC相与Laves相构成的Laves/BCC全共晶组织；
所述合金中Laves相的体积含量为63 %；
所述合金在铸态的室温抗压强度为2.33 GPa。
2.根据权利要求1所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金，其特征在于，所述合金在1100℃/48 h热处理后的室温抗压强度为2.0 GPa。
3.一种如权利要求1或2中任一项所述的兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，包括：
（1）按照摩尔百分比Cr：Fe：Ti：Nb=1：1：1：2称取原料；
（2）将原料充分熔化熔炼后，即得到兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金。
4.根据权利要求3所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中将纯度高于99.9 at.%的原料Cr、Fe、Ti和Nb进行打磨清洗。
5.根据权利要求4所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中原料按熔点由低到高的顺序依次放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中。
6.根据权利要求5所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中先将真空电弧熔炼炉的真空度抽至3×10-3~6×10-3 Pa，再充入保护气体，连续重复多次，最终将真空度控制在0.05 ~0.1Pa进行熔炼。
7.根据权利要求6所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中熔炼时将合金锭翻转重熔多次，每次熔炼4~5 min，最后将合金锭随炉冷却至室温取出。
8.根据权利要求7所述的一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中熔炼前在真空电弧熔炼炉的另一个水冷铜坩埚中放入金属Ti进行熔化除氧。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210043032.4A CN114480941B (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210043032.4A CN114480941B (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114480941A CN114480941A (zh) | 2022-05-13 |
| CN114480941B true CN114480941B (zh) | 2023-02-17 |
Family
ID=81511368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210043032.4A Active CN114480941B (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114480941B (zh) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020159914A1 (en) * | 2000-11-07 | 2002-10-31 | Jien-Wei Yeh | High-entropy multielement alloys |
| KR101708763B1 (ko) * | 2015-05-04 | 2017-03-08 | 한국과학기술연구원 | 고온 중성자 조사 손상에 강한 엔트로피 제어 bcc 합금 |
| CN105296836B (zh) * | 2015-11-17 | 2017-12-08 | 北京科技大学 | 一种具有形状记忆效应的NxMy高熵合金及其制备方法 |
| CN107338385B (zh) * | 2017-06-27 | 2019-09-13 | 北京科技大学 | 一种体心立方结构为主的储氢高熵合金及其制备方法 |
| CN111876647A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-03 | 燕山大学 | 一种无Co共晶中熵合金及其制备方法 |
| CN112095040B (zh) * | 2020-09-27 | 2022-01-04 | 南昌航空大学 | 一种多主元高熵合金及制备方法 |
| CN112916870B (zh) * | 2021-01-22 | 2022-11-01 | 暨南大学 | 一种中高熵合金材料的制备方法 |
-
2022
- 2022-01-14 CN CN202210043032.4A patent/CN114480941B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114480941A (zh) | 2022-05-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108642363B (zh) | 一种高强高塑共晶高熵合金及其制备方法 | |
| CN109266944B (zh) | 一种FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法 | |
| CN111826573B (zh) | 一种无σ相析出倾向的沉淀强化型高熵合金及其制备方法 | |
| CN114457270B (zh) | L12颗粒强塑化的中熵合金及其制备方法 | |
| CN110284042B (zh) | 超塑性高熵合金、板材及其制备方法 | |
| CN110616341B (zh) | 一种CoCrNiNbx共晶中熵合金及其制备方法 | |
| CN102212712A (zh) | 铍铜合金及非晶和/或纳米晶带材生产设备用铜套和制备方法 | |
| CN111850375B (zh) | 一种纳米析出强化型高强高塑性多元合金及其制备方法 | |
| CN111996397A (zh) | 一种调控CoNiV中熵合金抗氢脆和腐蚀性能的方法 | |
| CN114606424A (zh) | 一种高强高韧的Mo-Nb-Ta-Hf-Zr难熔高熵合金及制备方法 | |
| CN108754277B (zh) | 一种钴铁镍钒锆高熵合金及其制备方法 | |
| CN114807713A (zh) | 一种含b2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法 | |
| CN114351030A (zh) | 一种具有高强度与塑性的难熔高熵合金及其制备方法 | |
| CN114480941B (zh) | 一种兼具高强度与高热稳定性的共晶中熵合金及其制备方法 | |
| CN117265360A (zh) | 一种复合析出强化型高熵合金及其制备方法 | |
| CN115404385B (zh) | 一种有优异室温拉伸延展性的难熔高熵合金及其制备方法 | |
| CN113652573B (zh) | 一种高强高导高耐热Cu-Ag-Hf合金材料及其制备方法 | |
| CN114032420B (zh) | 一种高性能铸造高温合金 | |
| CN113444955B (zh) | 一种含共晶组织的高熵合金及其制备方法 | |
| CN112322935B (zh) | 一种具有负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法 | |
| CN114686743A (zh) | 可热机械处理的高强高塑Co-Cr-Fe-Ni-V-B-Si共晶高熵合金及制备方法 | |
| CN114293063B (zh) | 一种C、Si掺杂CuFeMnCoCr合金及其制备方法 | |
| CN112981223A (zh) | 铁-铌-稀土中间合金及其制备方法 | |
| CN110343877B (zh) | 一种镍铝铬钽三元近共晶合金及其制备方法 | |
| CN110747383A (zh) | 一种以金属间化合物为基的高熵合金及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |