CN115354244B - 一种纳米相强化型亚共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米相强化型亚共晶高熵合金及其制备方法，本发明涉及一种纳米相强化型亚共晶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强塑性匹配较差的问题，本发明纳米相强化型亚共晶高熵合金的通式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x,其中0.4≤x≤1。本发明通过锁定Ta和Al的比例，调整(TaAl)在高熵合金中的含量x，最终设计并制备出不同成分的纳米相强化型亚共晶高熵合金。本发明纳米相强化型亚共晶高熵合金在铸态下即展现出极高的拉伸强度和一定的断裂应变，本发明应用于高熵合金领域。

Description

一种纳米相强化型亚共晶高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米相强化型亚共晶高熵合金及其制备方法。
背景技术
作为二十一世纪的新兴合金，高熵合金已经展现出超越传统合金的强大能力，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。面心立方固溶体组成的高熵合金塑性高，但强度略低，这限制了高熵合金的应用。
近年来对于高熵合金强韧化的研究也迅速在发展壮大。为了解决上述问题，有学者提出共晶高熵合金以及纳米强化高熵合金的概念。共晶高熵合金由无序面心立方固溶体和有序体心立方固溶体，最典型的为AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，合金整体的塑性损失相对严重；纳米强化高熵合金则是由纳米级的有序面心相作为强化相增加合金强度，合金的塑性保持在较高水平，但是强度提升的有限。两种高熵合金的设计理念都存在自身的优势和局限。在制备工艺方面，现有提高高熵合金的综合性能的方法一般为多：一是通过热处理制备存在纳米相的合金，二是通过轧制细化晶粒等方式提高合金力学性能。但热处理对于一些易氧化的合金如L12相强化型高熵合金，如果不采取氩气保护、真空保护等措施，合金性能会因热处理中氧化生成其他相或者在热处理过程中缺陷长大而大量损失性能。由于生产设备的限制，轧制态的合金更适用于中小型结构件，一些大直径大尺寸的制备需求轧制态的合金难以满足。同时相较于小尺寸轧制件，大尺寸的轧制件更容易出现裂纹、夹杂等缺陷因此，对于大型结构件的使用需求，铸态高熵合金仍有广阔的研究价值以及应用前景。同时面对未来越来越高的材料性能需求，也需要一种兼具高抗拉强度和塑性的铸态高熵合金。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有铸态高熵合金强塑性匹配较差的问题，提出一种纳米相强化型亚共晶高熵合金及其制备方法。
本发明一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，由Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x；其中0.4≤x≤1。
本发明一种纳米相强化型亚共晶高熵合金的制备方法按以下步骤进行：一、按照Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x的摩尔比称取Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta，得到原材料；
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2-4次，冷却得到纳米相强化型亚共晶高熵合金。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明纳米强化型亚共晶合金初生相为面心立方固溶体，后形成面心立方固溶体与Laves相固溶体的层片状共晶结构，在铸态下面心立方固溶体中即产生了纳米级沉淀相，常规获得纳米相的方式则需通过热处理，避免了热处理使合金可能产生的缺陷。
2、本发明的纳米强化型亚共晶高熵合金为铸态高熵合金，其抗拉强度比同为铸态的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(1100MPa)更高，抗拉强度可达1250MPa，同时兼具一定的延伸率(9-10％)。
3、本发明的纳米强化型亚共晶合金制备方法简单，有效利用元素偏析，使得亚共晶组织与纳米相并存，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Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的低倍显微组织图；
图2是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的高倍显微组织图；
图3是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的拉伸工程应力应变曲线；
图4是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的透射电镜组织图；
图5是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1高熵合金的低倍显微组织图；
图6是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1高熵合金的高倍显微组织图；
图7是Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1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：本实施方式一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，由Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x；其中0.4≤x≤1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：亚共晶高熵合金按摩尔比5:4:1.5:1.5:0.25:0.25的比例由Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5。其他与具体实施方式一相同。
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：亚共晶高熵合金按摩尔比5:4:1.5:1.5:0.5:0.5的比例由Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式一种纳米相强化型亚共晶高熵合金的制备方法按以下步骤进行：一、按照Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x的摩尔比称取Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta，得到原材料；
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2-4次，冷却得到纳米相强化型亚共晶高熵合金。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二所述的清洗为使用丙酮对原材料进行清洗，然后干燥。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：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四或五相同。
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。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤二中采用非自耗真空电弧枪进行电弧加热熔炼，功率为30kW。其他与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤二中熔炼过程中电流保持在500-550A，时间为70s。其他与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：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3次。其他与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：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四至九之一相同。
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超高强纳米相强化型亚共晶高熵合金Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5，其制备方法为：
步骤一、通过对所述原料Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta的摩尔比5:4:1.5:1.5:0.25:0.25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500-550A，加热时间5-10min，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；
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3次，使合金成分均匀；
步骤六、第3次金属锭冷却过程中，电流控制为每10s下降50A，即完成了Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5亚共晶高熵合金的制备。
结合图1和2说明，Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的显微组织为典型的亚共晶组织，图1为低倍图，图2为高倍图，由图中可以看出初生相和层片结构组成，是典型的亚共晶组织特征。图3为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5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极高的拉伸性能，同时存在一定塑性，抗拉强度可达1249MPa，断裂延伸率为9.7％。图4为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5高熵合金的透射电镜组织图，透射电镜组织图放大倍数比扫描电镜更大，由图中可以看出，层面结构间存在小于100nm的纳米相，这种相未在扫面电镜下观察到。
由上述可知，本实施例制备的纳米强化型亚共晶合金初生相为面心立方固溶体，后形成面心立方固溶体与Laves相固溶体的层片状共晶结构，在铸态下面心立方固溶体中即产生了纳米级沉淀相。
实施例二、本实施例一种铸态下超高强纳米相强化型亚共晶高熵合金Ni5Co4Cr1.5Fe1.(TaAl)1，其制备方法为：
步骤一、通过对所述原料Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta的摩尔比5:4:1.5:1.5：0.5:0.5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500-550A，加热时间5-10min，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；
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3次，使合金成分均匀；
步骤六、第3次金属锭冷却过程中，电流控制为每10s下降50A，即完成了Ni5Co4Cr1.5Fe1.(TaAl)1亚共晶高熵合金的制备。
结合图5和6说明，Ni5Co4Cr1.5Fe1.(TaAl)1高熵合金的显微组织为典型的亚共晶组织，图5为低倍图，图6为高倍图，由图中可以看出初生相和层片结构组成，是典型的亚共晶组织特征。图7为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1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极高的拉伸性能，抗拉强度可达1447MPa，断裂延伸率为4.5％。

Claims (9)

1.一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，其特征在于，亚共晶高熵合金由Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x；其中0.4≤x≤1；
所述纳米相强化型亚共晶高熵合金的制备方法按以下步骤进行：一、按照Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)x的摩尔比称取Ni、Co、Cr、Fe、Al和Ta，得到原材料；
二、对原材料进行清洗，然后置于非自耗真空电弧炉内的坩埚中，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2-4次，冷却得到纳米相强化型亚共晶高熵合金。
2.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，其特征在于，亚共晶高熵合金按摩尔比5:4:1.5:1.5:0.25:0.25的比例由Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)0.5。
3.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，其特征在于，亚共晶高熵合金按摩尔比5:4:1.5:1.5:0.5:0.5的比例由Ni、Co、Cr、Fe、Al、Ta元素组成，化学式为Ni5Co4Cr1.5Fe1.5(TaAl)1。
4.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，其特征在于步骤二所述的清洗为使用丙酮对原材料进行清洗，然后干燥。
5.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，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-0.05MPa。
6.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，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，功率为30kW。
7.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，其特征在于步骤二熔炼过程中电流保持在500-550A，时间为70s。
8.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，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3次。
9.根据权利要求1所述的一种纳米相强化型亚共晶高熵合金，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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