CN114807713A - 一种含b2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含B2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法，所述合金的通式按原子百分比表达为：Al_aCo_bCr_cFe_dNi_e，其中，a为16～20，b为16～20，c为16～20，d为0～10，e为36～42，a+b+c+d+e＝100；所述合金的微观组织主要由初生B2相和包含B2相与FCC相的共晶组织组成，其中，所述初生B2相呈等轴树枝晶状，且在所述初生B2相的周侧围绕有FCC相晕圈。本发明的偏共晶高熵合金结构特殊，加工硬化能力显著，兼具较高的强度和良好的塑性，而且制备方法简单，绿色低碳，无需后续热机械处理，铸态即具有优良的综合力学性能，具有广阔的应用前景。

Description

一种含B2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于共晶高熵合金领域，尤其涉及一种含B2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法。

背景技术

共晶高熵合金结合了传统共晶合金和高熵合金的优势，具有优异的综合力学性能，是目前的研究热点之一。AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金作为第一个被提出的共晶高熵合金，目前已被广泛研究。该共晶高熵合金由FCC相和B2相组成，其结合了FCC相高塑性和B2相高强度的优势，综合力学性能超过了传统的NiAl基合金，且其耐腐蚀性能优异，具有在极端环境下应用的前景。另外，有研究者通过热机械处理进一步提高了该共晶高熵合金的综合力学性能。

然而，目前对AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的研究大多集中在共晶成分，对亚共晶和过共晶成分的研究还不多见。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种含B2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法，该偏共晶高熵合金结构特殊，加工硬化能力显著，兼具较高的强度和良好的塑性，而且制备方法简单，绿色低碳，无需后续热机械处理，铸态即具有优良的综合力学性能，具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种含B2初生相的偏共晶高熵合金，所述合金的通式按原子百分比表达为：Al_aCo_bCr_cFe_dNi_e，

其中，a为16～20，b为16～20，c为16～20，d为0～10，e为36～42，a+b+c+d+e＝100。

所述合金的微观组织主要由初生B2相和包含B2相与FCC相的共晶组织组成，其中，所述初生B2相呈等轴树枝晶状，且在所述初生B2相的周侧有FCC相晕圈围绕。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，包括：

S1：配料：按照合金通式进行配料，在称取原材料之前，先对原材料表面进行打磨、清洗、干燥；

S2：熔炼：将原材料放置在真空炉内，抽真空并充入保护气体进行熔炼，得到铸锭；

S3：落铸：将铸锭置于长条形的模具上，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后落至模具中，冷却后脱模后得到所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金。

优选地，所述步骤S1中所述打磨是将原材料表面的氧化膜用钢丝刷或砂轮机打磨去除。

优选地，所述清洗是在无水乙醇中超声清洗，清洗时间为100～200s。

优选地，所述步骤S1中原材料中铝纯度大于99.5wt％，钴纯度大于99.9wt％，铬纯度大于99.9wt％，铁纯度大于99.9wt％，镍纯度大于99.9wt％。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S201：将原材料放置在真空炉内，抽真空到5×10^-3Pa，再反充保护气体至0.02Mpa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，重复洗气后再次充入保护气体至0.11Mpa；

S202：熔炼合金前，先熔化预置在真空炉内的钛锭以消耗炉内的残留氧气，然后再对合金原材料进行熔炼，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼多次，得到最终铸锭。

优选地，所述步骤S2和步骤S3中均是在非自耗真空电弧炉中进行引弧熔炼。

优选地，所述步骤S202中对合金原材料进行熔炼时，熔炼电流为300～350A，每次熔炼时间至少1min。

优选地，所述步骤S3中铸锭的熔炼电流为300～350A。

优选地，所述步骤S2中保护气体为氩气。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明的偏共晶高熵合金通过调整铁的含量，得到偏共晶高熵合金，合金微观结构具有初生B2相，以及B2相和FCC相的共晶组织，且在初生B2相的周围有FCC相晕圈，虽然具有较多硬脆B2相，但最终得到的共熵合金加工硬化能力显著，兼具较高的强度和良好的塑性。

本发明的偏共晶高熵合金无需后续热机械处理，铸态即可达到较高的强度和良好的塑性，制备方式简单，低碳环保。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17含B2初生相的偏共晶高熵合金的金相图；

图2为本发明实施例1中制备的Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17含B2初生相的偏共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线图；

图3为本发明实施例2中制备的Al_17.86Co_17.86Cr_17.86Fe_8.93Ni_37.49含B2初生相的偏共晶高熵合金的金相图；

图4为本发明实施例2中制备的Al_17.86Co_17.86Cr_17.86Fe_8.93Ni_37.49含B2初生相的偏共晶高熵合金的金相图；

图5为本发明对比例1中制备的Al_16.39Co_16.39Cr_16.39Fe_16.39Ni_34.44共晶高熵合金的金相图；

图6为本发明对比例1中制备的Al_16.39Co_16.39Cr_16.39Fe_16.39Ni_34.44共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种含B2初生相的偏共晶高熵合金及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。

一种含B2初生相的偏共晶高熵合金，所述合金的通式按原子百分比表达为：Al_aCo_bCr_cFe_dNi_e，

其中，a为16～20，b为16～20，c为16～20，d为0～10，e为36～42，a+b+c+d+e＝100。

所述合金的微观组织由初生B2相和包含B2相与FCC相的共晶组织组成，其中，所述初生B2相呈等轴树枝晶状，且在所述初生B2相的周侧有FCC相晕圈围绕。

目前AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金微观组织中具有B2相和FCC相的共晶组织，而且目前对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的研究大多集中在共晶成分，对于亚共晶和过共晶成分的研究还不多见。本发明通过调整降低铁的成分，可以得到偏共晶的高熵合金，微观组织中含有初生B2相，并出现了晕圈现象，即在初生B2相周围有一圈高塑性的FCC相晕圈。使得到的偏共晶合金在铸态就具有优良的综合力学性能。

本发明还提供了上述含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，包括：

S1：配料：按照合金通式进行配料，在称取原材料之前，先对原材料表面进行打磨、清洗、干燥；

S2：熔炼：将原材料放置在真空炉内，抽真空并充入保护气体进行熔炼，得到铸锭；

S3：落铸：将铸锭置于长条形(长方体或圆柱体)的铜模具上，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后在重力的作用下落至铜模具中，冷却后脱模后得到所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S1中所述打磨是将原材料表面的氧化膜用钢丝刷或砂轮机打磨去除。

作为本发明的一个实施方案，所述清洗是在无水乙醇中超声清洗，清洗时间为100～200s。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S1中原材料中铝纯度大于99.5wt％，钴纯度大于99.9wt％，铬纯度大于99.9wt％，铁纯度大于99.9wt％，镍纯度大于99.9wt％，采用电子天平称取原材料，误差控制在±0.001g。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S2具体包括：

S201：将原材料放置在真空炉内，抽真空到5×10^-3Pa，再反充保护气体至0.02Mpa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，重复洗气后再次充入保护气体至0.11Mpa；

S202：熔炼合金前，先熔化预置在真空炉内的钛锭以消耗炉内的残留氧气，由于钛高温非常活泼，目的是进一步消耗氧；然后再对合金原材料进行熔炼，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼多次，以确保得到最终铸锭成分的均匀性。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S2和步骤S3中均是在非自耗真空电弧炉中进行引弧熔炼。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S202中对合金原材料进行熔炼时，熔炼电流为300～350A，每次熔炼时间至少1min。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S3中铸锭的熔炼电流为300～350A。

作为本发明的一个实施方案，所述步骤S2中保护气体为氩气。本发明的合金中诸如铝和铁极易容易氧化，因此在熔炼过程中保持炉腔内高真空状态，而且采用像氩气类的惰性气体进行保护。

以下以具体的实施方式解释本发明

实施例中的所用原料均可从商业渠道获得

实施例1

本实施例公开了一种含B2初生相的偏共晶高熵合金，其化学式Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17。

上述Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法包括以下步骤：

(1)配料：准备纯度不低于99.95％的Al、Co、Cr、Ni金属原料，用打磨机除去原料表面氧化物，将打磨好的原料置于酒精中进行超声清洗100s，随后取出吹干；

按照48g的总质量和19.61:19.61:19.61:41.17的摩尔比计算并称取出Al、Co、Cr、Ni等原料，每种原料的称量误差控制在±0.001g；

(2)熔炼：将步骤(1)中称取的原料混合后置于真空非自耗电弧炉的水冷铜坩埚中，关闭炉门，抽真空至5×10^-3Pa，同时拧紧炉门螺丝，然后反充高纯氩气至0.02MPa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，洗气两次以后再次向炉内充入氩气至0.11MPa，略大于一个大气压；

起弧后，首先熔炼钛锭以吸收炉内残留氧气，随后对合金原料进行熔炼，熔炼电流为300～350A，熔炼时间为1min，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼4次以确保铸锭成分的均匀性；

(3)落铸：将步骤(3)中所得的铸锭置于长方形铜模上，铜模内部尺寸为10mm×10mm×100mm，起弧后将电流调至300～350A，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后在重力作用下落铸至铜模内，冷却后除模得到所述含B2初生相的偏共晶高熵合金。

图1展示了Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17含B2初生相的偏共晶高熵合金的金相组织，从中可以看出，合金由深色初生B2相和共晶组织组成，B2相以等轴树枝状的方式生长，其四周有一层白色FCC相晕圈。图2展示了Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17含B2初生相的偏共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线，该合金屈服强度为678Mpa，加工硬化能力显著，抗拉强度达到1.42GPa，真应力最高达到1.58GPa，断后伸长率为10.50％。

实施例2：

本实施例公开了一种含B2初生相的偏共晶高熵合金，其化学式Al_17.86Co_17.86Cr_{17.8 6}Fe_8.93Ni_37.49。

上述Al_17.86Co_17.86Cr_17.86Fe_8.93Ni_37.49含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法包括以下步骤：

(1)配料：准备纯度不低于99.95％的Al、Co、Cr、Fe、Ni等金属原料，用打磨机除去原料表面氧化物，将打磨好的原料置于酒精中进行超声清洗，随后取出吹干；

按照48g的总质量和17.86:17.86:17.86:8.93:37.49的摩尔比计算并称取出Al、Co、Cr、Fe、Ni等原料，每种原料的称量误差控制在±0.001g；

(2)熔炼：将步骤(1)中称取的原料混合后置于真空非自耗电弧炉的水冷铜坩埚中，关闭炉门，抽真空至5×10^-3Pa，同时拧紧炉门螺丝，然后反充高纯氩气至0.02MPa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，洗气两次以后再次向炉内充入氩气至0.11MPa，略大于一个大气压；

起弧后，首先熔炼钛锭以吸收炉内残留氧气，随后对合金原料进行熔炼，熔炼电流为300～350A，熔炼时间为1min，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼4次以确保铸锭成分的均匀性；

(3)落铸：将步骤(2)中所得的铸锭置于长方形铜模上，铜模内部尺寸为10mm×10mm×100mm，起弧后将电流调至300～350A，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后在重力作用下落铸至铜模内，冷却后除模得到所述含B2初生相的偏共晶高熵合金。

图3展示了Al_17.86Co_17.86Cr_17.86Fe_8.93Ni_37.49含B2初生相的偏共晶高熵合金的金相组织，从中可以看出，合金由深色初生B2相和共晶组织组成，B2相以等轴树枝状的方式生长，其四周有一层白色FCC相晕圈。图4展示了Al_17.86Co_17.86Cr_17.86Fe_8.93Ni_37.49含B2初生相的偏共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线，该合金屈服强度为612MPa，加工硬化能力显著，抗拉强度达到1.18GPa，真应力最高达到1.31GPa，断后伸长率为11.15％。

对比例

共晶高熵合金Al_16.39Co_16.39Cr_16.39Fe_16.39Ni_34.44，即AlCoCrFeNi_2.1

上述的共晶高熵合金Al_16.39Co_16.39Cr_16.39Fe_16.39Ni_34.44制备方法包括以下步骤：

(1)配料：准备纯度不低于99.95％的Al、Co、Fe、Cr、Ni等金属原料，用打磨机除去原料表面氧化物，将打磨好的原料置于酒精中进行超声清洗，随后取出吹干；

按照48g的总质量和16.39:16.39:16.39:16.39:34.44的摩尔比计算并称取出Al、Co、Fe、Cr、Ni等原料，每种原料的称量误差控制在±0.001g；

(2)熔炼：将步骤(1)中称取的原料混合后置于真空非自耗电弧炉的水冷铜坩埚中，关闭炉门，抽真空至5×10^-3Pa，同时拧紧炉门螺丝，然后反充高纯氩气至0.02MPa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，洗气两次以后再次向炉内充入氩气至0.11MPa，略大于一个大气压；

起弧后，首先熔炼钛锭以吸收炉内残留氧气，随后对合金原料进行熔炼，熔炼电流为300～350A，熔炼时间为1min，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼4次以确保铸锭成分的均匀性；

(3)落铸：将步骤(2)中所得的铸锭置于长方形铜模上，铜模内部尺寸为10mm×10mm×100mm，起弧后将电流调至300～350A，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后在重力作用下落铸至铜模内，冷却后除模得到所述含B2初生相的偏共晶高熵合金。

图5展示了Al_16.39Co_16.39Cr_16.39Fe_16.39Ni_34.44共晶高熵合金的金相组织，从图5中可以看出，合金由FCC相与B2相的层片共晶组织组成。图6展示了Al_19.61Co_19.61Cr_19.61Ni_41.17共晶高熵合金在室温条件下的工程应力应变曲线和真应力应变曲线，其屈服强度为636MPa，抗拉强度为1.05GPa，断后伸长率为10.53％。

实施例1、实施例2与对比例相比，共晶高熵合金中只有共晶组织，而本申请的偏共晶高熵合金中既含有共晶组织，也含有初生B2相，力学性能方面虽然屈服强度变化不大，但是抗拉强度有了提升，且加工硬化能力较强。

说明本发明得到的偏共晶合金虽然具有较多硬脆B2相，但加工硬化能力显著，兼具较高的强度和良好的塑性；无需后续热机械处理，铸态即可达到较高的强度和良好的塑性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种含B2初生相的偏共晶高熵合金，其特征在于，所述合金的通式按原子百分比表达为：Al_aCo_bCr_cFe_dNi_e，

其中，a为16～20，b为16～20，c为16～20，d为0～10，e为36～42，a+b+c+d+e＝100；

所述合金的微观组织主要由初生B2相和包含B2相与FCC相的共晶组织组成，其中，所述初生B2相呈等轴树枝晶状，且在所述初生B2相的周侧围绕有FCC相晕圈。

2.一种如权利要求1所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：

S1：配料：按照合金通式进行配料，在称取原材料之前，先对原材料表面进行打磨、清洗、干燥；

S2：熔炼：将原材料放置在真空炉内，抽真空并充入保护气体进行熔炼，得到铸锭；

S3：落铸：将铸锭置于长条形的模具上，对铸锭进行加热，铸锭完全熔化后落至模具中，冷却后脱模后得到所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金。

3.根据权利要求2所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述打磨是将原材料表面的氧化膜用钢丝刷或砂轮机打磨去除。

4.根据权利要求2所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述清洗是在无水乙醇中超声清洗，清洗时间为100～200s。

5.根据权利要求2所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中原材料中铝纯度大于99.5wt％，钴纯度大于99.9wt％，铬纯度大于99.9wt％，铁纯度大于99.9wt％，镍纯度大于99.9wt％。

6.根据权利要求2所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S201：将原材料放置在真空炉内，抽真空到5×10^-3Pa，再反充保护气体至0.02Mpa，再次抽真空至5×10^-3Pa进行洗气，重复洗气后再次充入保护气体至0.11Mpa；

S202：熔炼合金前，先熔化预置在真空炉内的钛锭以消耗炉内的残留氧气，然后再对合金原材料进行熔炼，熔炼完成后将铸锭翻转，重复熔炼多次，得到最终铸锭。

7.根据权利要求2或6所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S3中均是在非自耗真空电弧炉中进行引弧熔炼。

8.根据权利要求7所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S202中对合金原材料进行熔炼时，熔炼电流为300～350A，每次熔炼时间至少1min。

9.根据权利要求7所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中铸锭的熔炼电流为300～350A。

10.根据权利要求2或6所述的含B2初生相的偏共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中保护气体为氩气。

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