CN114774785A

CN114774785A - 一种低成本高性能铁基中熵合金

Info

Publication number: CN114774785A
Application number: CN202210371094.8A
Authority: CN
Inventors: 张兴华; 魏然; 李福山; 陈辰; 王坦; 吴少杰
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2042-04-11
Also published as: CN114774785B

Abstract

本发明提供一种铁基中熵合金，以原子数百分含量计，包括：Fe：50%~65%、Cr：10%~17%、Ni：12%~20%、Al：4%~12%，利用Al代替Fe‑Cr‑Ni‑Co‑Al合金体系中的Co元素，从而形成一种低成本的亚稳态双相中熵合金，该合金在低温下具有较高的强度和塑性，性能优于现有技术中的高熵/中熵合金以及一些先进钢铁和钛合金。

Description

一种低成本高性能铁基中熵合金

技术领域

本发明一般涉及合金技术领域，具体涉及一种铁基中熵合金。

背景技术

对具有超高的低温强度、延展性和低成本的合金的追求，一直是材料科学界重点研究方向。新出现的高熵/中熵合金为开发各种性能优良的新合金提供了大量的机会；一般情况下，单相面心立方的高熵/中熵合金具有良好的低温塑性和韧性，但屈服强度较低。

设计双相结构的高熵/中熵合金是改善其性能的有效方法。目前，根据强化机理，双相高熵/中熵合金复合材料的成分设计主要可分为两类：相变诱导塑性效应(TRIP)和孪生诱导塑性效应(TWIP)。双相TRIP 高熵/中熵合金的微观结构主要为面心立方+体心立方或面向立方+密排六方。从亚稳态面心立方到体心立方/密排六方的TRIP效应使高熵/中熵合金具有较高的低温拉伸强度，但它们的屈服强度较低。例如，TRIP V₁₀Cr₁₀Co₃₀Fe₅₀ 中熵合金的低温拉伸强度约为2 GPa，但屈服强度只有约500 MPa；这些双相TRIP 高熵/中熵合金是利用同素异构特性设计的，面心立方和体心立方/密排六方相中各元素分布均匀、成分相同，因而屈服强度较低。而TWIP双相高熵/中熵合金中面心立方相和体心立方相的化学成分明显不同，如Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁Al₁₉共晶高熵合金中硬的富NiAl 的体心立方相使其具有较高的屈服强度。而与TRIP 高熵/中熵合金相比，TWIP高熵/中熵合金表现出较低的应变硬化能力，从而导致塑性较低。此外，以前开发的高强度合金的原材料成本高于常规合金，这也阻碍了其作为结构材料的应用，如何实现在低温下高强度、高塑性和低成本的合金仍是一个挑战。

发明内容

鉴于上述的问题，本申请提供了一种铁基中熵合金，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题。

本发明提供一种铁基中熵合金，以原子数百分含量计，包括：Fe：50%~65%、Cr：10%~17%、Ni：12%~20%、Al：4%~12 %。

进一步地，以原子数百分含量计，包括：Fe：60%、Cr：15%、Ni：16%、Al：9 %。

进一步地，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5 %。

进一步地，所述微量元素包括C、Si、Mo、Ti、Nb中的一种或多种。

本发明提供了一种铁基中熵合金，利用Al代替Fe-Cr-Ni-Co-Al合金体系中的Co元素，从而形成一种低成本的亚稳态双相中熵合金，该合金在低温下具有较高的强度和塑性，性能优于现有技术中的高熵/中熵合金以及一些先进钢铁和钛合金。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1 为Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x (x=0、3、5和7)和Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (at %)的XRD谱图和拉伸力学行为，其中(a) XRD谱图。(b)298 K和(c)77 K时的拉伸应力-应变曲线。

图2 Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉在77 K时与其合金性能对比图；(a) 屈服强度（yieldstrength）-延伸率（uniform elongation），(b) 抗拉强度（ultimate tensile strength）-延伸率，(c)屈服强度-原材料价格（raw material cost），(d) 抗拉强度-原材料价格。

图3为 Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉合金的组织，其中(a)为电子背散射衍射(EBSD) 相图、(b)为反极图(IPF)图、(c)为晶粒尺寸分布显示了双相非均质晶粒尺寸的微观结构、(d)为透射电子显微镜(TEM)图像和选定的区域衍射图(SADPs)、(e)为能谱图(EDS)显示了Fe、Ni、Cr和Al的非均匀分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

具体的，在一些实施例中，Fe的具体含量可以为50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%等。

在一些实施例中，Cr的具体含量可以为：10%、11%、12%、13%、14%、15%、16% 、17% 。

在一些实施例中，Ni的具体的含量可以为：12%、13%、14%、15%、16% 、17%、18%、19%、20%。

在一些实施例中，Al的具体的含量可以为：4%、5%、6%、7%、8% 、9%、10%、11%、12%。

进一步地，作为一种优选的实施方式，以原子数百分含量计，包括：Fe：60%、Cr：15%、Ni：16%、Al：9 %。

具体的，参考图1，为通过实验获取的Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x (x=0、3、5和7)和Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (at %)的XRD谱图和拉伸力学行为的 XRD谱图及在298 K和(c)77 K时的拉伸应力-应变曲线图，实验的具体步骤为：合金锭的名义组成为Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x(x=0,3, 5, 7) 和Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉，在x=0时，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x称为Co10；在x=3时，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x称为Co7Al3；在x=5时，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x称为 Co5Al5；在x=7时，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x称为Co3Al7；Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉称为Ni16Al9。

在实验室，分别将Co10、Co7Al3、 Co5Al5、Co3Al7、Ni16Al9的合金锭由电弧熔炼后滴入10mm × 10mm × 30mm的铜模内，然后在室温下轧制，厚度减薄率为~ 85% (10 ~ 1.5mm)；轧制后的板材在1073 K退火10分钟，然后水淬；然后从这些板上分别切下尺寸为10 mm× 2 mm ×1.5 mm的扁平狗骨状样品。采用SUNS UTM 5105试验机，分别在77 K和298 K下，以0.5 mm/min的轴向拉伸速度进行了单轴拉伸试验。采用Cu Kα射线x射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射仪、透射电镜对合金的相组成和微观结构进行了表征

通过x射线衍射(XRD)对Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x(x=0, 3, 5, 7) 和Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉中熵合金的相组成进行了表征，结果如图1中a所示，在Co10合金中得到了单一的FCC相结构，XRD谱图上只有FCC衍射峰；当Al含量增加到7%(即Co3Al7)时，XRD捕获了少量的BCC相；为了获得双相结构，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₅Co_10-xAl_x体系中Al含量增加到9%，Co含量仍为1%。为了进一步降低原料成本，去除Co，增加Ni，得到双相结构的Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (图1a)。

由图1可知，在室温(298 K)和液氮温度(77 K)下，合金的拉伸应力-应变曲线分别如图1中b和c所示。合金体系具有高的屈服强度、抗拉强度和塑性。Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉中熵合金的低温屈服强度、抗拉强度和塑性分别为~1300 MPa、~1680 MPa和~ 35%。

本发明提供的一种铁基中熵合金的制备方法为：选择FCC Fe₆₀Ni₁₅Cr₁₅Co₁₀中熵合金作为初始合金，然后采用Al取代 Co，获得坚硬的第二相，促进了变形诱导相变，制备成含面心立方软相和体心立方硬相的新型亚稳态双相TRIP Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (at %) 中熵合金，通过廉价的Al取代昂贵的Co，降低了原料成本，且含面心立方软相和体心立方硬相的新型亚稳态双相TRIP Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (at %) 中熵合金，在液氮温度下的屈服强度为~1300MPa，抗拉强度为~1680 MPa，塑性为~35%。与其他高熵/中熵合金以及一些先进钢和钛合金相比，Fe₆₀Cr₁₅Ni₁₆Al₉ (at %) 中熵合金具有优异的力学性能和优异的材料成本和性能平衡。

实施例二

进一步地，作为另一种实施方式，本发明提供的一种铁基中熵合金，以原子数百分含量计，该合金包括：Fe：50%~65%、Cr：10%~17%、Ni：12%~20%、Al：4%~12 %，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5 %，作为具体的实施方式，所述微量元素包括C、Si、Mo、Ti、Nb中的任意一种

在一些实施例中，微量元素的具体含量可以为5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0.5%等，

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种铁基中熵合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括：Fe：50%~65%、Cr：10%~17%、Ni：12%~20%、Al：4%~12 %。

2.根据权利要求1所述的一种铁基中熵合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括：Fe：60%、Cr：15%、Ni：16%、Al：9 %。

3.根据权利要求1所述的一种铁基中熵合金，其特征在于，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5 %。

4.根据权利要求2所述的一种铁基中熵合金，其特征在于，所述微量元素包括C、Si、Mo、Ti、Nb的任意一种或多种。