CN114606422B - CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法 - Google Patents

CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法，属于金属材料技术领域。本发明所述CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法包括：a.根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，熔炼制备中熵合金锭；b.将a步骤所述中熵合金锭在‑196～‑160℃进行轧制，所述轧制后的中熵合金的压下量在40～70％；c.将b步骤低温轧制后的中熵合金，在真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛下进行热处理，所述热处理的工艺为600～700℃保温10～60min。根据本发明的CoCrNi中熵合金液氮低温轧制方法，可以很好地改善材料的力学性能。

Description

CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法
技术领域
本发明涉及一种CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
在过去，人类对金属材料的开发和利用一直集中在使用一种或两种金属作为基本元素并添加微量的其它种类金属或者非金属元素以改善和提高基体性能的合金体系上。传统合金理念类型的合金材料的物理性质和性能被限制在主要基体元素范围内，这不利于进一步提高合金材料的整体性能。实际上，随着社会迅速的发展，传统合金的单一优异性能已满足不了社会的需求，科学技术所要求材料的性能也越来越全面，这就必须对传统合金有所突破。为了打破传统合金的限制，高熵合金应运而生。高熵合金具有“高熵效应”，大部分都是简单的固溶体结构，不会由于元素种类增加而产生使材料性能变弱的脆性金属间化合物。与传统的单一性能合金不同，高熵合金可以在强度、硬度、耐蚀性、韧性和热稳定性等很多方面出现良好的性能组合，因此被广泛用于高强度、硬度切削工具以及船舶的耐腐蚀材料领域等。中熵合金理念是在高熵合金理念的基础上发展而来，CoCrNi中熵合金是由单一的面心立方(FCC)固溶体组成，它同样具有优异的力学性能、高的固溶强化效应和良好的延展性，其强度和韧性甚至比大多数的传统合金和高熵合金还要好。CoCrNi合金这些优异的力学性能是因为该合金拥有连续并且稳定的加工硬化过程。产生稳定的加工硬化又是因为在变形过程中出现了纳米孪晶，纳米孪晶的边界可以有效地阻止位错滑动，以此增加合金的强度。而且，CrCoNi合金的强度、延展性和韧性比迄今为止报道的所有的中高熵合金还要好。
随着社会的发展，金属材料的轧制变形过程开始尝试使用液氮来进行低温轧制(即液氮低温轧制技术)，来达到抑制位错动态回复和动态再结晶的目的，从而使变形材料具有较高的位错密度。简而言之，就是将深冷处理中的液体法与轧制工艺相结合。具体方法是轧制前将试样在液氮中进行长时间的冷却，达到热平衡后在短时间内迅速进行轧制。随着液氮低温变形工艺的逐渐成熟，具有较高位错密度的严重塑性变形材料已经可以通过低温工艺制备出来，例如制备出了具有纳米晶的铜和超细结构的纯铜。
宋凌云,王艳飞,王明赛,等.1000MPa级CrCoNi中熵合金的微观组织和力学行为[J].航空材料学报,40(4):9.公开了将CoCrNi中熵合金进行低温轧制：采用电磁悬浮熔炼技术在高纯氩气的环境下将纯Cr、Co、Ni(99.9％，质量分数)金属熔化制得等摩尔比的CrCoNi中熵合金铸锭。为了确保化学成分和微观结构的均匀性，将铸锭再反复熔化5次，然后在1200℃下处理12h，接着将铸锭锻压成6.3mm厚的板坯(始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃)。将两组坯板样品分别于室温和液氮温度轧制至0.63mm厚，由于液氮条件下变形较难，其变形道次较多、变形速率较低，但两者厚度减小量均为90％，并分别标记为RTR(roomtemperature rolling，RTR)和CR(cryogenic rolling，CR)样品。轧制试样在氮气保护环境下于不同温度进行退火处理。然而其工艺复杂，产品性能有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决的第一个问题是提供一种CrCoNi中熵合金低温轧制方法。
为解决本发明的第一个技术问题，所述CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法包括：
a.根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，熔炼制备中熵合金锭；
b.将a步骤所述中熵合金锭在-196～-160℃进行轧制，所述轧制后的中熵合金的压下量在40～70％；
c.将b步骤低温轧制后的中熵合金，在真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛下进行热处理，所述热处理的工艺为600～700℃保温10～60min。
真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛，例如氮气。
在一种具体实施方式中，a步骤还包括在熔炼前将质量分数为99.9％以上的铬、钴、镍原料粉，用丙酮进行超声清洗。
在一种具体实施方式中，a步骤所述熔炼包括：用真空磁悬浮熔炼炉，在不与原料和产品反应的惰性气氛下，熔炼5次以上。
所述惰性气氛可以为氮气。
在一种具体实施方式中，a步骤所述熔炼后滴铸成为铸态的板材型的中熵合金锭。
在一种具体实施方式中，b步骤所述轧制前还将中熵合金锭切割成待轧制试样尺寸。
在一种具体实施方式中，b步骤所述轧所述待轧制试样尺寸为80*20*2mm。
在一种具体实施方式中，b步骤所述切割采用电火花线进行切割。
在一种具体实施方式中，c步骤所述热处理的工艺为650℃保温10min。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种CrCoNi中熵合金。
为解决本发明的第二个技术问题，所述的CrCoNi中熵合金采用上述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法制备得到。
在一种具体实施方式中，所述合金的硬度平均值455HV以上、屈服强度1280MPa以上，抗压强度1359MPa以上，断裂伸长率5～6.2％，优选所述CrCoNi中熵合金的组织中出现部分再结晶，晶粒度分布范围在150微米以下。
有益效果：根据本发明的CoCrNi中熵合金液氮低温轧制方法，可以很好地改善材料的力学性能。有效地提高CrCoNi中熵合金的强度、硬度。本发明的方法对综合性能的提升非常显著，易于工业生产。
本发明加工流程缩短，低温轧制前不需要高温热处理，大量节约成本。
附图说明
图1为本发明中实施例1与对比例1的室温拉伸对比曲线；
图2为本发明中实施例1与对比例1的显微维氏硬度对比曲线。
图3为本发明中对比例2与对比例3的室温拉伸对比曲线；
图4为本发明中对比例2与对比例3的显微维氏硬度对比曲线；
图5低温下轧制后断口SEM图。
具体实施方式
为解决本发明的第一个技术问题，所述CrCoNi中熵合金及其低温轧制方法包括：
a.根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，熔炼制备中熵合金锭；
b.将a步骤所述中熵合金锭在-196～-160℃进行轧制，所述轧制后的中熵合金的压下量在40～70％；
c.将b步骤低温轧制后的中熵合金，在真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛下进行热处理，所述热处理的工艺为600～700℃保温10～60min。
真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛，例如氮气。
在一种具体实施方式中，a步骤还包括在熔炼前将质量分数为99.9％以上的铬、钴、镍原料粉，用丙酮进行超声清洗。
在一种具体实施方式中，a步骤所述熔炼包括：用真空磁悬浮熔炼炉，在不与原料和产品反应的惰性气氛下，熔炼5次以上。
所述惰性气氛可以为氮气。
在一种具体实施方式中，a步骤所述熔炼后滴铸成为铸态的板材型的中熵合金锭。
在一种具体实施方式中，b步骤所述轧制前还将中熵合金锭切割成待轧制试样尺寸。
在一种具体实施方式中，b步骤所述轧所述待轧制试样尺寸为80*20*2mm。
在一种具体实施方式中，b步骤所述切割采用电火花线进行切割。
在一种具体实施方式中，c步骤所述热处理的工艺为650℃保温10min。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种CrCoNi中熵合金。
为解决本发明的第二个技术问题，所述的CrCoNi中熵合金采用上述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法制备得到。
在一种具体实施方式中，所述合金的硬度平均值455HV以上、屈服强度1280MPa以上，抗压强度1359MPa以上，断裂伸长率5～6.2％，优选所述CrCoNi中熵合金的组织中出现部分再结晶，晶粒度分布范围在150微米以下。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
步骤1，根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，利用真空磁悬浮熔炼炉制备中熵合金锭；
步骤l，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，取质量分数为99.9％的铬、钴、镍原料粉，为了去除原料中的杂质和油脂，用丙酮进行超声清洗干净，防止原料中的杂质影响中熵合金的性能；
步骤1.2，将清洗后的各原料按照等摩尔原子比配料，用真空磁悬浮熔炼炉，在氮气气氛下，熔炼至少5次，以保证成分与组织的均匀性，最后滴铸成为铸态的板材型CrCoNi中熵合金。
步骤2，将制备的CrCoNi合金锭进行电火花线切割，切割成80*20*2mm待轧制试样尺寸。
步骤3，将线切割好的中熵合金在液氮环境-196℃进行低温轧制；经过低温轧制后的中熵合金的压下量达到50％。
步骤4，将低温轧制后的中熵合金，650℃保温10min进行热处理，去除残余内应力。
对比例1
本对比例1与实施例1的区别为步骤3，本对比例1采用室温轧制，其他参数完全相同。
液氮低温轧制的CrCoNi中熵合金及室温轧制的CrCoNi中熵合金维氏显微硬度对比如图2，可以看出液氮低温轧制的维氏显微硬度明显比低温轧制要高。低温轧制显微硬度平均值HV＝455.94，室温轧制显微硬度平均值HV＝442.89。
液氮低温轧制的CrCoNi中熵合金和室温轧制的CrCoNi中熵合金拉伸曲线如图1所示，根据数据可以得出液氮低温轧制的抗拉强度为1359MPa，屈服强度为1280MPa，室温轧制的抗拉强度为1285MPa，屈服强度为1115MPa，液氮轧制下的抗拉强度与屈服强度都比室温轧制下高。而液氮轧制与室温轧制下的延伸率几乎相等，为5.9％。
对比例2
步骤1，根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，利用真空磁悬浮熔炼炉制备中熵合金锭；
步骤l，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，取质量分数为99.9％的铬、钴、镍原料粉，为了去除原料中的杂质和油脂，用丙酮进行超声清洗干净，防止原料中的杂质影响中熵合金的性能；
步骤1.2，将清洗后的各原料按照等摩尔原子比配料，用真空磁悬浮熔炼炉，在氮气气氛下，熔炼至少5次，以保证成分与组织的均匀性，最后滴铸成为铸态的板材型CrCoNi中熵合金。
步骤2，将制备的CrCoNi合金锭进行电火花线切割，切割成80*20*2mm待轧制试样尺寸。
步骤3，将线切割好的中熵合金在液氮环境-196℃进行低温轧制；经过低温轧制后的中熵合金的压下量达到30％。
步骤4，将低温轧制后的中熵合金，进行650℃保温10min热处理，去除残余内应力。
对比例3
与对比例2类似，与对比例2唯一不同的是对比例3室温轧制。对比例2低温轧制显微硬度平均值HV＝396.41，对比例3室温轧制显微硬度平均值HV＝382.54。对比例2液氮低温轧制的抗拉强度966MPa，屈服强度为933MPa，断裂伸长率13.3％对比例3室温轧制的抗拉强度为658MPa，屈服强度为601MPa，断裂伸长率8.7％。

Claims (7)

1.CrCoNi中熵合金低温轧制方法，其特征在于，所述方法为：
a.根据CrCoNi中熵合金等摩尔原子比配料，熔炼制备中熵合金锭；
b.将a步骤所述中熵合金锭在-196～-160℃进行轧制，所述轧制后的中熵合金的压下量在40～70％；b步骤所述轧制前还将中熵合金锭切割成待轧制试样尺寸；b步骤所述轧所述待轧制试样尺寸为80*20*2mm；
c.将b步骤低温轧制后的中熵合金，在真空或不与CrCoNi反应的惰性气氛下进行热处理，所述热处理的工艺为650℃保温10min。
2.根据权利要求1所述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法，其特征在于，a步骤还包括在熔炼前将质量分数为99.9％以上的铬、钴、镍原料粉，用丙酮进行超声清洗。
3.根据权利要求1或2所述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法，其特征在于，a步骤所述熔炼包括：用真空磁悬浮熔炼炉，在不与原料和产品反应的惰性气氛下，熔炼5次以上。
4.根据权利要求1或2所述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法，其特征在于，a步骤所述熔炼后滴铸成为铸态的板材型的中熵合金锭。
5.根据权利要求1所述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法，其特征在于，b步骤所述切割采用电火花线进行切割。
6.CrCoNi中熵合金，其特征在于，所述CrCoNi中熵合金采用权利要求1～5任一项所述的CrCoNi中熵合金低温轧制方法制备得到；
所述合金的硬度平均值455HV以上、屈服强度1280MPa以上，抗压强度1359MPa以上，断裂伸长率保持在5～6.2％。
7.根据权利要求6所述的CrCoNi中熵合金，其特征在于，所述CrCoNi中熵合金的组织中出现部分再结晶，晶粒度分布范围在150微米以下。
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