CN115418543B - 具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法，属于金属材料领域。该具有高强韧性的共晶多主元合金，包括的元素及各个元素的原子比为：Al：0.8～1.4，Co：0.7～1.3，Cr：0.6～1.7，Fe：0.7～1.8，Ni：1.2～3.2；在此基础上，分别添加Mo、V元素构成两种高强韧合金，添加元素M的原子比在0.2～0.6之间；该具有高强韧性的共晶多主元合金均形成以体心立方结构和面心立方结构的双相固溶体，为层状共晶组织；其抗拉强度为1200～1500MPa，延伸率18～30％；压缩强度为2400～3100MPa，压缩率为40～60％；硬度为HV 300～HV 350。合金具有高强韧性，还具备共晶合金的优良铸造性能。

Description

具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体为具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法。

背景技术

共晶多主元合金是一种以多组元为基础，且各组元按照等原子比或接近原子比设计出的合金。不同于传统合金，共晶多主元合金间的组元不生成化合物，而是以固溶体的形式存在。许多研究中的单相面心立方结构的多主元合金具有较好的韧塑性，但强度偏低；而单相体心立方结构的多主元虽有较高的强度，但韧塑性偏低。要想得到性能更优良的多主元合金，如何平衡硬度和强韧性成为设计要点，且合金的铸造性能也有待提高。

发明内容

为了实现强度和韧性的共同提高，本发明提供了具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法，具有高强韧性的共晶多主元合金是强度及韧性很高，同时形成体心立方和面心立方双相固溶体结构的共晶多主元合金。合金中同时存在的面心立方相和体心立方相有效地平衡了多主元合金的强度和塑性，本发明所述具有高强韧性的共晶多主元合金，在具有高强韧性、形成体心立方和面心立方结构基础上，还具备共晶合金的优良铸造性能。

本发明采用以下技术方案：

本发明的具有高强韧性的共晶多主元合金，包括的元素及各个元素的原子比为：Al：0.8～1.4，Co：0.7～1.3，Cr：0.6～1.7，Fe：0.7～1.8，Ni：1.2～3.2，M：0.2～0.6；

所述的M选用Mo或V。

所述的具有高强韧性的共晶多主元合金，均形成以体心立方结构和面心立方结构的双相固溶体，层状共晶组织。

进一步地，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1200～1500MPa，延伸率18～30％。

进一步的，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗压强度为2400～3100MPa，压缩率为40～60％。

进一步地，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的硬度为HV 300～HV 350。

优选，所述具有高强韧性的共晶多主元合金，包括的元素及各个元素的原子比为，Al：0.9～1.2，Co：0.8～1.1，Cr：0.7～1.2，Fe：0.8～1.2，Ni：1.8～2.5，添加的Mo或V元素的原子比为0.3～0.5；

进一步优选，所述具有高强韧性的共晶多主元合金，包括的元素及各个元素的原子比为，Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝1：1：1：1：2：0.4，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1345MPa，延伸率24.6％；抗压强度为2601MPa，压缩率为47.1％；硬度为HV 317.4。

进一步优选，所述具有高强韧性的共晶多主元合金，包括的元素及各个元素的原子比为，Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.1：1：1.2：1：2：0.3，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1336MPa，延伸率20％；抗压强度为2988MPa，压缩率为52.9％；硬度为HV 306.9。

本发明还提供了所述的具有高强韧性的共晶多主元合金的制备方法为：

在氩气的保护下，将纯金属单质Al、Co、Cr、Fe、Ni、M按照原子比进行合金化真空电弧熔炼，熔炼电流保持在340～360A，熔炼过程中加电磁搅拌，反复熔炼6～8次，以保证铸锭熔炼均匀。

所述的纯金属单质，其质量纯度≥99.5％。

所述的合金化真空电弧熔炼，其采用将熔点低的纯金属单质置于坩埚下层，熔点高的纯金属单质置于坩埚上层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.在多主元合金的基础上加入了Mo或V，有效提高了合金的高温性能，细化了粗大的片层组织；通过真空电弧熔炼即可获得块体的合金材料，合金制备过程更加简易；通过调整合金中元素含量的配比使得合金形成体心立方与面心立方共存的固溶体结构，减少了晶体缺陷以及金属间化合物的影响，从而实现合金各项性能的平衡。本发明涉及的共晶多主元合金具有优良的铸造性能。

2.本发明的所述的共晶多主元合金为体心立方结构与面心立方结构共存的固溶体、是一种同时具备高强韧性的多主元合金材料；合金保留着共晶合金的特性，具有优异的铸造性能。

附图说明

图1为实施例1制备的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金的显微组织图像；

图2为实施例1制备的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金的X射线衍射图像；

图3为实施例1制备的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金的静态室温拉伸工程应力-工程应变曲线；

图4为实施例1制备的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线；

图5为实施例5制备的具有高强韧性的Al_1.1Co₁Cr_1.2Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金的显微组织图像；

图6为实施例5制备的具有高强韧性的Al_1.1Co₁Cr_1.2Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金的X射线衍射图像；

图7为实施例5制备的具有高强韧性的Al_1.1Co₁Cr_1.2Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金的静态室温拉伸工程应力-工程应变曲线；

图8为实施例5制备的具有高强韧性的Al_1.1Co₁Cr_1.2Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明具有高强韧性的共晶多主元合金的制备步骤如下：

1.以质量纯度为99.5％以上的Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo金属单质为原料，使用电火花线切割机切割纯金属单质原料，用240#砂纸和砂轮将纯金属单质原料的表面氧化皮打磨掉，以Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝1：1：1：1：2：0.4的原子比，用电子天平称量需要的质量，得到实际质量与理论计算质量误差在百分之一以内的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Mo的纯金属单质原料；

2.为了避免影响实验的杂质引入，在进行真空电弧熔炼之前，需要将已经称量好的五种纯金属单质原料分别放入丙酮中使用超声波进行清洗，然后放入酒精中清洗，使用吹风机吹干，熔炼炉内的铜坩埚也需要用酒精进行擦拭，尽量保证铸锭的纯净；

3.将清洗过的纯金属单质原料按照熔点温度，依次放入水冷铜坩埚内，让熔点低的在下面，熔点高的在上面，这样做的目的是让熔点高的纯金属单质能够全部熔化，让每种金属元素都能充分混合；

4.关好炉门，进行抽真空直到10^-4量级，此时通入氩气作为保护气，至压力计为0.05Mpa，抽真空完毕时，开始引弧熔炼，先在另一个水冷铜坩埚内事先放置好的海绵钛进行熔炼，目的是去除炉膛内可能残余的氧气，避免残留的氧气氧化铸锭；然后将电弧引到需要熔炼的纯金属原料上，加大功率，使熔炼电流保持在350A，加电磁搅拌，保证电弧全部在纯金属单质原料的上方，按照此方法反复熔炼6次，以保证铸锭熔炼均匀，熔炼完成后，得到纽扣锭，即为具有高强韧性的共晶多主元合金。

实施例1所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金显微组织如图1所示，可知的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金为典型的层片状共晶结构；

实施例1所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的X射线衍射图像如图2所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金为体心立方结构与面心立方结构共存；根据图中，计算，体心立方结构占的体积百分比为32％。

实施例1所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的静态室温拉伸工程应力-工程应变曲线如图3所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金抗拉强度为1345MPa，合金呈现出明显的弹性变形和塑性变形阶段，延伸率为24.6％；

实施例1所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线如图4所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂Mo_0.4共晶多主元合金抗压强度为2601MPa，合金呈现出明显的弹性变形和塑性变形阶段，压缩率为47.1％；

实施例1所制备的共晶多主元合金硬度为HV317.4。

实施例2

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝0.9：1.3：0.7：1.7：3：0.2，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1383MPa，延伸率为21.2％；抗压强度为2477MPa，压缩率为43.5％；硬度为HV318.2。

实施例3

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝1.3：0.7：1.7：0.8：1.5：0.5，其他步骤及条件均与实施例1相同，相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，合金的抗拉强度为1471MPa，延伸率为19.4％；抗压强度为3054MPa，压缩率为41.2％；硬度为HV343.1。

对比例1

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝1：1：1：1：2：0.8，其他步骤及条件均与实施例1相同，合金形成单相固溶体结构，不形成片层组织，合金的抗拉强度为821MPa，延伸率为8.4％；抗压强度为2634MPa，压缩率为18.2％；硬度为HV421.7。

实施例5

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，添加V元素，步骤(1)中各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.1：1：1.2：1：2：0.3，其他步骤及条件均与实施例1相同，所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金显微组织如图5所示，可知的具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金为典型的层片状共晶结构；

所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的X射线衍射图像如图6所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金为体心立方结构与面心立方结构共存；根据图中，计算，体心立方结构占的体积百分比为38％。

本实施例所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的静态室温拉伸工程应力-工程应变曲线如图7所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金的抗拉强度为1336MPa，延伸率为20％；

本实施例所制备的具有高强韧性的共晶多主元合金的静态室温压缩工程应力-工程应变曲线如图8所示，可知具有高强韧性的Al₁Co₁Cr₁Fe₁Ni₂V_0.3共晶多主元合金抗压强度为2988MPa，压缩率为52.9％；硬度为HV306.9。

实施例6

在实施例5的基础上，与实施例5的不同之处在于，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝0.8：1.3：0.6：1.8：1.2：0.6，其他步骤及条件均与实施例5相同，相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，合金抗拉强度为1218MPa，延伸率为28.2％；抗压强度为2458MPa，压缩率为58.5％；硬度为HV308.2。

实施例7

在实施例5的基础上，与实施例5的不同之处在于，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.4：0.7：1.7：0.7：3.2：0.2，其他步骤及条件均与实施例5相同，相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，合金抗拉强度为1491MPa，延伸率为19.5％；抗压强度为3084MPa，压缩率为41.6％；硬度为HV343.2。

对比例2

在实施例5的基础上，与实施例5的不同之处在于，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.1：1：1.2：1：2：1，其他步骤及条件均与实施例5相同，合金形成单相固溶体结构，不形成片层组织，合金的抗拉强度为964MPa，延伸率为7.6％；抗压强度为1840MPa，压缩率为16.7％；硬度为HV512.3。

对比例3

在实施例5的基础上，与实施例5的不同之处在于，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1:1:1:1:1:1，其他步骤及条件均与实施例5相同，合金形成单相体心立方结构固溶体，形成典型枝晶组织，不形成片层组织，合金的抗拉强度为568MPa，延伸率为2.6％；抗压强度为2410MPa，压缩率为16.2％；硬度为HV712.5。

对比例4

在实施例5的基础上，与实施例5的不同之处在于，不含有V，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.1：1：1.2：1：2，其他步骤及条件均与实施例5相同，则相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，合金的抗拉强度为1050MPa，延伸率为16.2％；抗压强度为1865MPa，压缩率为56.5％；硬度为HV301.7。

对比例5

在实施例1的基础上，与实施例1的不同之处在于，不含有Mo，各金属单质的原子比为Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1：1：1：1：2，其他步骤及条件均与实施例1相同，则相应地得到由体心立方和面心立方固溶体形成的片层共晶多主元合金，合金的抗拉强度为944MPa，延伸率为25.6％；抗压强度为1473MPa，压缩率为62.7％；硬度为HV316.4。

以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有高强韧性的共晶多主元合金，其特征在于，包括的元素及各个元素的原子比为：Al：Co：Cr：Fe：Ni：Mo＝1：1：1：1：2：0.4，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1345MPa，延伸率为24.6％；抗压强度为2601MPa，压缩率为47.1％；硬度为317.4HV。

2.一种具有高强韧性的共晶多主元合金，其特征在于，包括的元素及各个元素的原子比为，Al：Co：Cr：Fe：Ni：V＝1.1：1：1.2：1：2：0.3，所述具有高强韧性的共晶多主元合金的抗拉强度为1336MPa，延伸率为20％；抗压强度为2988MPa，压缩率为52.9％；硬度为306.9HV。

3.根据权利要求1或2所述的具有高强韧性的共晶多主元合金，其特征在于，所述的具有高强韧性的共晶多主元合金，均形成以体心立方结构和面心立方结构的双相固溶体。

4.根据权利要求1或2所述的具有高强韧性的共晶多主元合金，其特征在于，所述的具有高强韧性的共晶多主元合金是层片状共晶结构。

5.权利要求1-4任意一项所述的具有高强韧性的共晶多主元合金的制备方法，其特征在于，包括以下过程：

在氩气的保护下，将纯金属单质Al、Co、Cr、Fe、Ni、M按照原子比进行合金化真空电弧熔炼，所述M选用Mo或V，采用将熔点低的纯金属单质置于坩埚下层，熔点高的纯金属单质置于坩埚上层，熔炼电流保持在340～360A，熔炼过程中加电磁搅拌，反复熔炼6～8次，以保证铸锭熔炼均匀。

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