CN115449688B - 一种FeCoNi系多主元合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FeCoNi系多主元合金及其制备方法，所述合金成分为（FeCoNi）a Tib AlcVd，其中，a、b、c、d为原子百分数，81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6，且a+b+c+d=100。制备方法的步骤是：1、依据原子百分比对Fe，Co，Ni，Ti，Al，V金属原料进行称重，配制出所需的合金组分；2、采用真空电弧熔炼法对:配制的合金组分进行熔炼，制得所述的多主元合金。本发明的合金的屈服强度不低于1887 MPa，压缩强度不低于2822 MPa，断裂应变不低于30.3%，实现了高强度和优异延展性的良好匹配；制备方法简单，耗时短，安全环保，满足工业的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种高强高韧性FeCoNi系多主元合金。
背景技术
高强高韧性金属材料的匮乏制约了我国国防、航空、航天、航海、交通、能源等国家重大安全战略和国民经济核心领域的创新发展，这主要源于金属材料的强度和韧性存在固有的倒置关系。传统合金的设计通常基于某些主要的性能要求，选择一种或两种主要元素，进而在合金化过程中添加少量其它元素以提升性能，但是随着人类对材料的物理和力学性能的要求越来越高，传统合金已经很难满足需求，因此亟需寻找新的金属强韧化途径，而多主元合金打破了传统合金单一主元的主导思想，为合金设计开创了新的思路，有望突破合金系列发展的瓶颈。
多主元合金具有传统合金无法达到的独特性能组合，包括高强度和硬度、出色的抗高温软化性、独特的磁性能、卓越的耐腐蚀性和抗氧化性、强抗疲劳性、有吸引力的摩擦学性能、良好的抗蠕变性、在低温下具有出色的辐照耐受性、高热稳定性和出色的机械性能。此外，虽然具有多种主要元素，但多主元合金却能形成单一的固溶体结构，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）、密排六方结构（HCP）等，在力学行为方面可按需进行高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温等优异性能的“定制”，在国际学术界引起了广泛的关注，已经成为新的研究热点。
中国专利文献CN113444957A于2021年9月28日公开了一种CrFeNi基多主元合金及其制备方法，合金成分为TiaZrbNbc(CrFeNi)d其中a、b、c、d为原子百分数，0≤a≤8、0≤b≤8、0≤c≤8、92＜d＜100且a+b+c+d＝100。该合金具有面心立方单相结构或者含有面心立方+体心立方+密排六方多相的结构，该合金的力学性能为：屈服强度150～1300MPa，断裂强度1400～2500MPa，塑性变形量为5～40％。但是它的屈服强度和压缩强度较低，部分材料的塑性变形量不大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种FeCoNi系多主元合金，它能提高合金材料的强度和良好延展性。本发明还提供一种该FeCoNi系多主元合金的制备方法。
为实现解决上述技术问题，本发明提供的一种FeCoNi系多主元合金，所述合金成分为（FeCoNi）aTibAlcVd，其中，a、b、c、d为原子百分数，81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6，且a+b+c+d=100。在FeCoNi的原子百分数a中，Fe、Co、Ni的原子数均分。
本发明还提供上述FeCoNi系多主元合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、配制原料：依据原子百分比对Fe，Co，Ni，Ti，Al，V金属原料进行称重，配制出所需的合金组分；
步骤2、熔炼：采用真空电弧熔炼法对配制的合金组分进行熔炼，制得所述的多主元合金。
在步骤1中，Fe，Co，Ni，Ti，Al，V金属原料的纯度大于99.9 %。
在步骤2中，熔炼采用真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼次数不少于5次。
本发明的优点是：
本发明的合金的屈服强度不低于1887 MPa，压缩强度不低于2822 MPa，断裂应变不低于30.3 %，实现了高强度和优异延展性的良好匹配。
本发明的制备方法简单，耗时短，安全环保，满足工业的应用需求，具有广泛的应用前景。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的合金的XRD图谱；
图2为本发明的合金的微观组织结构；
图3为本发明的合金压缩应力应变曲线；
图4为本发明的合金与现有的多主元合金的力学性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1、各成分的原子百分比为：Fe：28.34 at%，Co：28.33 at%，Ni：28.33 at%，Ti：10 at%，Al：3 at%，V：2 at%。
本实施例制备方法的步骤如下：
1、以铁颗粒（纯度99.9%）、钴颗粒（纯度99.9%）、镍颗粒（纯度99.9%）、钛颗粒（纯度99.9%）、铝颗粒（纯度99.9%）、钒颗粒（纯度99.9%）作为原料，依据上述配比采用电子天平对各主元进行称重，配制出所需的合金组分，合金的总质量为30 g，其中Fe为8.5 g，Co为8.93g，Ni为9.03 g，Ti为2.54 g，Al为0.44 g，V为0.56 g；
2、采用真空非自耗电弧熔炼炉对配制好的合金组分进行熔炼5次制得多主元合金铸锭，相应的电弧熔炼参数如下：熔炼炉电流为50-70 A、熔炼温度3000 ℃以上、熔炼一次的时间为5-20 min、真空度为6.6×10-4 Pa。
性能测试：
采用GB/T 7314-1987测试标准，用电子万能试验机测量材料的压缩强度及断裂应变，对本实施例的多主元合金，测得的压缩应力应变曲线见图3，屈服强度为1887 MPa，压缩强度为2822 MPa，断裂应变为30.5 %。
实施例2、各成分的原子百分比为：Fe：27.67 at%，Co：27.66 at%，Ni：27.66 at%，Ti：10 at%，Al：3 at%，V：4 at%。
与实施例1不同的是：在步骤1中，合金的总质量为30 g，其中Fe为8.43 g，Co为8.75 g，Ni为8.68 g，Ti为2.62 g，Al为0.43 g，V为1.09 g；
性能测试：
对本实施例测得的压缩应力应变曲线见图3，屈服强度为2238 MPa，压缩强度为3147 MPa，断裂应变为30.3 %。
实施例3、各成分的原子百分比为：Fe：27 at%，Co：27 at%，Ni：27 at%，Ti：10 at%，Al：3 at%，V：6 at%。
与实施例1不同的是：在步骤1中，合金的总质量为30 g，其中Fe为8.18 g，Co为8.53 g，Ni为8.56 g，Ti为2.62 g，Al为0.45 g，V为1.66 g；
性能测试：
对本实施例测得的压缩应力应变曲线见图3，屈服强度为2456 MPa，压缩强度为3583 MPa，断裂应变为36.1 %。
X射线衍射(XRD)分析：采用型号为X'Pert PRO MPD的X射线衍射仪对三种制备方法所得的合金的物相组成进行表征，相关测试参数如下：扫描速率为2°/min，扫描角度为10-90°。由图1可知，合金物相组成为FCC和L12两相结构， FCC相为主要相，L12相的含量较少。此外，FCC相主要固溶元素为Fe、Co和Ni，L12相主要固溶元素为Ni，Ti和Co。随着V的含量从2 at.%逐渐增加到6 at.%，L12相的相对含量逐渐增加。
扫描电子显微镜(SEM)分析：采用型号为捷克TESCAN MIRA LMS的扫描电子显微镜观察三种制备方法所得的合金微观组织结构，如图2所示。在熔炼的合金中观察到两种不同颜色的显微组织，即黑色颗粒状及条状的L12相和白色片状的FCC相。L12相以不同的形态分布在FCC基体相上，尺寸主要为微米级，也有纳米级颗粒分散其中。随着V含量从2 at.%逐渐增加到6 at.%，L12相的相对含量逐渐增加。
图4为本发明的FeCoNi系多主元合金与现有多主元合金的力学性能对比图，图4中的现有多主元合金材料及测试数据见下列文献：
1、Yong Dong, Kaiyao Zhou, Yiping Lu, et al. Effect of vanadiumaddition on the microstructure and properties of AlCoCrFeNi high entropyalloy [J]. Materials and Design. 2014.57：67–72. （Yong Dong, Kaiyao Zhou,Yiping Lu等人. 钒添加对AlCoCrFeNi高熵合金组织和性能的影响[J]. 材料与设计.2014.57：67–72.）
2、Gang Qin, Shu Wang, Ruirun Chen, et al. Improvement ofMicrostructure and Mechanical Properties of CoCrCuFeNi High-Entropy Alloys ByV Addition[J]. Journal Of Materials Engineering And Performance. 2019.28 ：1049–1056. （Gang Qin, Shu Wang, Ruirun Chen等人. V加法改善CoCrCuFeNi高熵合金的微观组织和力学性能[J]. 材料工程与性能学报. 2019.28 ：1049–1056.）
3、Dexi Hao, Nannan Zhang, Yue Zhang, et al. Effect of vanadiumaddition on microstructure and properties of Al0.5Cr0.9FeNi2.5 multi-principal alloys[J]. journal of iron and steel research international.2021.28 ：586–596. （ Dexi Hao, Nannan Zhang, Yue Zhang等人. 钒添加对Al0.5Cr0.9FeNi2.5多主合金组织和性能的影响[J]. 国际钢铁研究. 2021.28 ：586–596. ）
4、Rong Guo, Jie Pan, Lin Liu. Achieving dual-phase structure andimproved mechanical properties in AlCoCrFeTi0.5 high-entropy alloys byaddition of Ni [J]. Materials Science & Engineering A. 2022 .831. （ Rong Guo,Jie Pan, Lin Liu. 在AlCoCrFeTi中实现双相结构和改进的机械性能0.5通过添加Ni的高熵合金[J]. 材料科学与工程：A. 2022 .831.）
5、Xianzhe Zhong, Qingming Zhang, Jing Xie, et al. Mechanicalproperties and microstructure of the Al0.3CoCrFeNiTi0.3 high entropy alloyunder dynamic compression [J]. Materials Science & Engineering A. 2021.812.（ Xianzhe Zhong, Qingming Zhang, Jing Xie等人. 铝的机械性能和微观结构0.3CoCrFeNiTi0.3动态压缩下的高熵合金[J]. 材料科学与工程：A. 2021.812.）
6、Rui Feng, Chuan Zhang, Michael C Gao, et al. High-throughput designof high-performance lightweight high-entropy alloys [J]. Naturecommunications. 2021. 12. （ Rui Feng, Chuan Zhang, Michael C Gao等人. 高性能轻质高熵合金的高通量设计[J]. 自然通讯. 2021. 12.）
从图4看出：本发明的多主元合金具有高强度和良好的延展性。且本发明的制备工艺简单、耗时短、环保，具有巨大的潜在经济效益，本发明的多主元合金在航空航天、武器装备等领域的应用具有重要意义。
Claims (5)
1.一种FeCoNi系多主元合金，其特征是：所述合金成分为（FeCoNi）aTibAlcVd，其中，a、b、c、d为原子百分数，81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6，且a+b+c+d=100。
2.根据权利要求1所述的FeCoNi系多主元合金，其特征是：a=81、b=10、c=3、d=6。
3.一种权利要求1所述FeCoNi系多主元合金的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、配制原料：依据原子百分比对Fe，Co，Ni，Ti，Al，V金属原料进行称重，配制出所需的合金组分；
步骤2、熔炼：采用真空电弧熔炼法对:配制的合金组分进行熔炼，制得所述的多主元合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：在步骤1中，Fe，Co，Ni，Ti，Al，V金属原料的纯度大于99.9 %。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：在步骤2中，熔炼采用真空非自耗电弧熔炼炉，熔炼次数不少于5次，熔炼温度3000 ℃以上、熔炼一次的时间为5-20 min、真空度为6.6×10-4 Pa。
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