CN115323242A - 一种铸态下高强韧高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸态下高强韧高熵合金及其制备方法，本发明涉及一种铸态下高强韧高熵合金及其制备方法，本发明的目的是为了解决现有铸态高熵合金抗拉强度和塑性不匹配的问题，本发明一种铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x；其中0.2≤x≤0.5。本发明的高强韧高熵合金制备方法简单，有效利用元素偏析，使得三种相并存协同作用，同时组织均匀且铸造缺陷较少，铸态下的强度和塑性比同为铸态的AlCoCrFeNi2.1共晶髙熵合金更高。本发明应用于高熵合金领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸态下高强韧高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金作为二十一世纪的新兴合金，已经展现符合工业发展所要求的高纯净度和超强服役性能，在航空航天领域、车辆工程、工业结构等领域展现出良好的应用前景，高熵合金强度提升的同时通常伴随着塑性的下降，因此强度和塑性的提升和平衡是其发展的核心问题。
目前所使用的合金从制备的角度分两类,即铸态合金和变形合金,变形合金主要工艺为挤压、轧制和锻造。虽然变形后的合金具备优良的力学性能，但目前所研究的高熵合金多数仍为小型试样，从应用的角度考虑，大尺寸的变形件易出现裂纹、夹杂等一些缺陷，而这些缺陷在小型的试样中并不常见。同时，变形合金受限于设备及场地等多方面原因，使得合金难以制备大型结构件。由此，铸态高熵合金可制备体积大、工艺简单等优势使得铸态高熵合金适用于未来的工业生产，同时也是高熵合金研究的重中之重。
高熵合金的强塑性匹配问题一直是研究重点，最有效的手段是通过调整合金元素比例，控制合金中相的形成，进而制备出具备理想性能的高熵合金。目前，卢一平等人提出的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金已经展现出较为出色的综合性能。但研究表明，随着高熵合金中铝含量的增加，合金的强度虽然提升，但是塑性损失严重。作为由此可见，高熵合金的元素添加及元素组成仍存在较大提升空间，寻找一种提高强度但塑性损失较小的高熵合金十分关键。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有铸态高熵合金抗拉强度和塑性不匹配的问题，提出一种铸态下高强韧高熵合金及其制备方法。
本发明一种铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x；其中0.2≤x≤0.5。
本发明一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法按以下步骤进行：一、按照Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x的摩尔比称取Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta，得到原材料；其中0.2≤x≤0.5；
二、对原材料进行清洗，然后置于非自耗真空电弧炉内部的坩埚中，再抽真空后充入氩气进行保护熔炼，冷却后，得到金属锭；
三、将金属锭反复熔炼4-6次，冷却得到铸态下高强韧高熵合金。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明高强韧高熵合金由三种相组成，初生相为无序面心固溶体相，后形成富AlTa面心立方固溶体相与Laves相固溶体相，三种相协同作用提高合金强度。
2、本发明的高强韧高熵合金具备比共晶高熵合金更高的强度和塑性，铸态下抗拉强度1144MPa，同时兼具高延伸率(21.2％)。
3、本发明的高强韧高熵合金制备方法简单，有效利用元素偏析，使得三种相并存协同作用，同时组织均匀且铸造缺陷较少，适用于大尺寸合金熔炼，可制备大尺寸结构件。
附图说明
图1是Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金的显微组织图；
图2是Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金的拉伸工程应力应变曲线；
图3是Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2高熵合金的显微组织图；
图4是Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2高熵合金的拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x；其中0.2≤x≤0.5。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.3。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.4。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法按以下步骤进行：一、按照Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x的摩尔比称取Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta，得到原材料；其中0.2≤x≤0.5；
二、对原材料进行清洗，然后置于非自耗真空电弧炉内部的坩埚中，再抽真空后充入氩气进行保护熔炼，冷却后，得到金属锭；
三、将金属锭反复熔炼4-6次，冷却得到铸态下高强韧高熵合金。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中抽真空使炉内真空度在-0.1MPa，充入氩气至-0.5Mpa。其他与具体实施方式六相同。
本实施方式中反复抽真空，充氩气，进行洗气2次，即抽真空使炉内真空度在-0.1MPa，充入氩气至-0.5Mpa，再抽真空至-0.1MPa，充入氩气至-0.5Mpa，再抽真空至-0.1MPa，充入氩气至-0.5Mpa。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤二中采用非自耗真空电弧枪进行电弧加热熔炼，非自耗真空电弧枪距离原材料2mm。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤三中熔炼后均冷却至室温后，将金属锭翻转，再进行下一次熔炼，反复熔炼5次。其他与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：步骤三中在最后一次熔炼结束，合金凝固过程中，电流的下降速度为5A/s，直至电流归零。其他与具体实施方式五至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一、本实施例一种铸态下高强韧高熵合金Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5，其制备方法为：
步骤一、按照Co、Cr、Fe、Ni和(TaAl2)摩尔比5：1：3：0.5的比例称取原料，其中Ta和Al的摩尔比为1:2，对所述原料的摩尔比向质量比进行换算，以每个合金试样总质量为120g，通过电子天平对原料进行称重。称取重量时，误差在±0.001g之间。用丙酮对高纯度的原料(纯度在99％)进行清洗，去除表面的污垢，随后使用干燥箱干燥，并将称量好的干燥原料放置于非自耗真空电弧炉内部的水冷铜坩埚中，调整非自耗真空电弧枪，使枪尖距离原料2mm，随后关闭炉门；
步骤二、抽真空使炉内真空度在-0.1MPa，充入保护气体高纯氩气至-0.05MPa，反复抽真空，充氩气，进行洗气2次；
步骤三、通过非自耗真空电弧炉侧壁的观察口，观察炉体内的情况，并打开冷却水，同时观察炉内是否存在渗水的情况；
步骤四、对电弧枪通电引弧，功率为30kW，电流在550A，加热时间3min，待金属单质彻底融化后，关闭电源，在水冷铜坩埚的冷却下凝固，得到金属锭；
步骤五、采用机械手将冷却后的金属锭翻转，校正电弧枪位置，并通电重新加热，反复熔炼5次，使合金成分均匀；
步骤六、第5次金属锭冷却过程中，电流控制为每10s下降50A，即完成了Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金的制备。
结合图1说明，结合图1说明，Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金的显微组织由三种相组成，即初生的灰色的面心固溶体相FCC、位于枝晶间的浅灰色富AlTa面心固溶体相以及Laves相。图2为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金的拉伸工程应力应变曲线，其中★为AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，●为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5高熵合金；由图中可以看出合金展现出极高的拉伸性能和塑性，抗拉强度可达1144MPa，断裂延伸率为21.2％。同时图中标注出共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的拉伸性能，相比较可以看出，本实施例合金的强度和塑性均优于AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。
实施例二、本实施例一种铸态下高强韧高熵合金Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2，其制备方法为：
步骤一、按照Co、Cr、Fe、Ni和(TaAl2)摩尔比5：1：3：0.5的比例称取原料，其中Ta和Al的摩尔比为1:2，对所述原料的摩尔比向质量比进行换算，以每个合金锭总质量为120g，通过电子天平对原料进行称重。称取重量时，误差在±0.001g之间。用丙酮对高纯度的原料(纯度在99％)进行清洗，去除表面的污垢，随后使用干燥箱干燥，并将称量好的干燥原料放置于非自耗真空电弧炉内部的水冷铜坩埚中，调整非自耗真空电弧枪，使枪尖距离原料2mm，随后关闭炉门；
步骤二、抽真空使炉内真空度在-0.1MPa，充入保护气体高纯氩气至-0.05MPa，反复抽真空，充氩气，进行洗气2次；
步骤三、通过非自耗真空电弧炉侧壁的观察口，观察炉体内的情况，并打开冷却水，同时观察炉内是否存在渗水的情况；
步骤四、对电弧枪通电引弧，功率为30kW，电流在550A，加热时间3min，待金属单质彻底融化后，关闭电源，在水冷铜坩埚的冷却下凝固，得到金属锭；
步骤五、采用机械手将冷却后的金属锭翻转，校正电弧枪位置，并通电重新加热，反复熔炼5次，使合金成分均匀；
步骤六、第5次金属锭冷却过程中，电流控制为每10s下降50A，即完成了Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2高熵合金的制备。
结合图3说明，Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2高熵合金的显微组织由三种相组成，即初生的灰色的面心固溶体相、位于枝晶间的浅灰色富AlTa面心固溶体相以及Laves相，与Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2合金相比，Laves相的体积分数降低。图4为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2高熵合金的拉伸工程应力应变曲线，由图中可以看出合金展现出拉伸性能相较略有下降，但塑性提高明显，抗拉强度可达907.1MPa，断裂延伸率为26.2％。
Claims (10)
1.一种铸态下高强韧高熵合金，其特征在于，铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x；其中0.2≤x≤0.5。
2.根据权利要求1所述的一种铸态下高强韧高熵合金，其特征在于，铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.2。
3.根据权利要求1所述的一种铸态下高强韧高熵合金，其特征在于，铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.3。
4.根据权利要求1所述的一种铸态下高强韧高熵合金，其特征在于，铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.4。
5.根据权利要求1所述的一种铸态下高强韧高熵合金，其特征在于，铸态下高强韧高熵合金由Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta元素组成，化学式为Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)0.5。
6.如权利要求1所述的一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：一、按照Co5Cr1Fe1Ni3(TaAl2)x的摩尔比称取Co、Cr、Fe、Ni、Al和Ta，得到原材料；其中0.2≤x≤0.5；
二、对原材料进行清洗，然后置于非自耗真空电弧炉内部的坩埚中，再抽真空后充入氩气进行保护熔炼，冷却后，得到金属锭；
三、将金属锭反复熔炼4-6次，冷却得到铸态下高强韧高熵合金。
7.根据权利要求6所述的一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空使炉内真空度在-0.1MPa，充入氩气至-0.5Mpa。
8.根据权利要求6所述的一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于步骤二中采用非自耗真空电弧枪进行电弧加热熔炼，非自耗真空电弧枪距离原材料2mm。
9.根据权利要求6所述的一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于步骤三中熔炼后均冷却至室温后，将金属锭翻转，再进行下一次熔炼，反复熔炼5次。
10.根据权利要求6所述的一种铸态下高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于步骤三中在最后一次熔炼结束，合金凝固过程中，电流的下降速度为5A/s，直至电流归零。
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| CN115927909A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-04-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法 |
| CN115747606A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-03-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种单晶高熵合金NiCoCrFeTaAl及其制备方法 |
| CN115747606B (zh) * | 2022-12-20 | 2023-11-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种单晶高熵合金NiCoCrFeTaAl及其制备方法 |
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| CN115323242B (zh) | 2023-12-01 |
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