CN115491564B - 一种富铁高强韧双相高熵不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种富铁高强韧双相高熵不锈钢及其制备方法。所述富铁高强韧双相高熵不锈钢的化学组成为Fex(CrNiMn)y(AlTi)z，x＝35～55at％，y＝30～60at％，z＝5～15at％，Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。所述富铁高强韧双相高熵不锈钢的制备方法包含如下步骤：在保护气氛下，将原料物进行熔炼处理，得到熔炼液；待熔炼液冷却后进行均匀化处理，冷却后得到富铁高强韧双相高熵不锈钢。本发明通过添加少量的AlTi，形成奥氏体/铁素体/L12析出相共存的双相析出结构，不但保持了良好的耐腐蚀性能，同时使得高熵不锈钢兼具高强度和高塑性。

Description

一种富铁高强韧双相高熵不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种富铁高强韧双相高熵不锈钢及其制备方法。
背景技术
传统合金主要是基于一个简单的设计：选择一种或两种具有某种特殊性能的元素为基体，通过添加少量不同的元素来改变合金的性能。然而，金属元素的数量有限，合金开发的选择也有限，并且如果添加的元素种类过多，很容易形成比较多的金属间化合物和复杂相，导致合金的性能急剧下降。
2004年，Yeh等人提出高熵合金的概念极大的拓展了新型多元金属合金的可能性，具有多组分的高熵合金极大地改善了材料的结构与性能，从而表现出了一系列优异的性能，如突出的高温强度、良好的低温韧性、良好的耐磨性能、良好的耐腐蚀性以及优异的抗辐照性能等，这是传统合金所无法比拟的。但是，现有的高熵合金缺仍然无法同时兼顾强度、塑性和耐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富铁高强韧双相高熵不锈钢及其制备方法，以解决传统不锈钢强度、塑性和耐蚀性不能兼顾的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种富铁高强韧双相高熵不锈钢，该不锈钢的化学组成为Fex(CrNiMn)y(AlTi)z，x＝35～55at％，y＝30～60at％，z＝5～15at％，Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。
优选的，该不锈钢的化学组成为：
Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5、Fe35(CrNiMn)55(AlTi)10、Fe35(CrNiMn)50(AlTi)15、Fe45(CrNiMn)50(AlTi)5、Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10、Fe45(CrNiMn)40(AlTi)15、Fe55(CrNiMn)40(AlTi)5、Fe55(CrNiMn)35(AlTi)10或Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15。
本发明还提供了所述富铁高强韧双相高熵不锈钢的制备方法，包含如下步骤：
在保护气氛下，将原料物进行熔炼处理，得到熔炼液；
待熔炼液冷却后进行均匀化处理，冷却后得到富铁高强韧双相高熵不锈钢。
优选的，所述均匀化处理的温度为1100～1300℃，时间为1～3h。
优选的，所述保护气氛为氩气气氛。
优选的，所述熔炼处理的压强为-0.01～-0.02MPa，熔炼功率为80～100kW。
本发明基于构型熵的设计思路，开发出富Fe多主元的高熵合金，即高熵不锈钢，通过添加少量的AlTi，形成奥氏体/铁素体/L12析出相共存的双相析出结构，不但保持了良好的耐腐蚀性能，同时使得高熵不锈钢兼具高强度和高塑性。
该不锈钢的设计成分中基体元素Fe占主要含量x为35～55at％，同时元素Cr、Ni和Mn的含量y为30～60at％，并且Cr:Ni:Mn为1:1:1，此外，通过掺杂含量为5～15at％的Al和Ti(等原子比)两种元素析出纳米第二沉淀相，并且降低材料的比重。本发明通过基础组元配比的调整，改变铁素体和奥氏体的相体积分数，微量元素Al、Ti的添加，促进BCC和L12相的析出，最终形成FCC/L12+BCC双相析出结构高熵不锈钢，最高屈服强度达到1800MPa，塑性应变高于30％，兼具高强度和高塑性。此外，由于高含量Cr的添加，使得材料具有良好的耐腐蚀特性，可广泛应用于建筑、交通、油田以及核电等领域。
附图说明
图1为高熵不锈钢的XRD图谱。
图2为Fe45AT10高熵不锈钢的扫描电镜照片。
图3为高熵不锈钢的应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种富铁高强韧双相高熵不锈钢，该不锈钢的化学组成为Fex(CrNiMn)y(AlTi)z，x＝35～55at％，y＝30～60at％，z＝5～15at％，Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。
在本发明中，x＝35～55at％，具体可以为35at％、38at％、40at％、43at％、45at％、48at％、50at％、52at％或55at％。
在本发明中，y＝30～60at％，具体可以为30at％、33at％、35at％、38at％、40at％、43at％、45at％、48at％、50at％、52at％、55at％、58at％或60at％。
在本发明中，z＝5～15at％，具体可以为5at％、8at％、10at％、13at％、14at％或15at％。
在本发明中，该不锈钢的化学组成具体可优选为：
Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5、Fe35(CrNiMn)55(AlTi)10、Fe35(CrNiMn)50(AlTi)15、Fe45(CrNiMn)50(AlTi)5、Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10、Fe45(CrNiMn)40(AlTi)15、Fe55(CrNiMn)40(AlTi)5、Fe55(CrNiMn)35(AlTi)10或Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15。
本发明还提供了所述富铁高强韧双相高熵不锈钢的制备方法，包含如下步骤：
在保护气氛下，将原料物进行熔炼处理，得到熔炼液；
待熔炼液冷却后进行均匀化处理，冷却后得到富铁高强韧双相高熵不锈钢。
在本发明中，所述原料物是指Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Ti。
在本发明中，所述熔炼处理的压强为-0.01～-0.02MPa，优选为-0.012～-0.018MPa，进一步优选为-0.014～-0.016MPa；熔炼功率为80～100kW，优选为85～95kW，进一步优选为88～92kW。
在本发明中，所述保护气氛为氩气气氛。
在本发明中，所述均匀化处理的温度为1100～1300℃，优选为1150～1280℃，进一步优选为1120～1250℃；时间为1～3h，优选为1.5～2.7h，进一步优选为2～2.5h。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种FeCrNiAlTi系高熵不锈钢，其化学分子式为Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5，Fe、Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。制备步骤如下：
将原材料Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Ti的表面打磨干净，在无水乙醇中进行超声处理并干燥；然后按照设计的成分称量原料，将称量好的原材料按照熔点由低到高从下到上依次放置于坩埚中，待抽真空后，充入高纯氩气，进行多次熔炼(压强为-0.02MPa，熔炼功率为80kW)保证成分均匀，得到高熵不锈钢铸锭。再进行1200℃均匀化退火处理1.5h，随炉冷却。
Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5高熵不锈钢XRD图谱如图1所示，从图中能够看出是FCC/L12+BCC结构，BCC相对较少；图3是Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5高熵不锈钢室温应力应变曲线，屈服强度达到约500MPa，均匀应变超过50％，具有优异的塑性。
实施例2
一种FeCrNiAlTi系高熵不锈钢，其化学分子式为Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10，Fe、Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。制备步骤如下：
将原材料Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Ti的表面打磨干净，在无水乙醇中进行超声处理并干燥；然后按照设计的成分称量原料，将称量好的原材料按照熔点由低到高从下到上依次放置于坩埚中，待抽真空后，充入高纯氩气，进行多次熔炼(压强为-0.01MPa，熔炼功率为90kW)保证成分均匀，得到高熵不锈钢铸锭。再进行1200℃均匀化退火处理1.5h，随炉冷却。
Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10高熵不锈钢XRD图谱如图1所示，从图中能够看出是FCC/L12+BCC结构，BCC相体积增加，与FCC相体积等量；图2是Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10高熵不锈钢扫描电镜照片，从图中能够明显的看到非共格的奥氏体FCC相和铁素体BCC相，L12相在FCC基体中，并与FCC相界面共格。图3是Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10高熵不锈钢室温应力应变曲线，屈服强度达到约1800MPa，均匀应变超过30％，具有优异的综合性能。
实施例3
一种FeCrNiAlTi系高熵不锈钢，其化学分子式为Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15，Fe、Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比。制备步骤如下：
将原材料Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Ti的表面打磨干净，在无水乙醇中进行超声处理并干燥；然后按照设计的成分称量原料，将称量好的原材料按照熔点由低到高从下到上依次放置于坩埚中，待抽真空后，充入高纯氩气，进行多次熔炼(压强为-0.015MPa，熔炼功率为100kW)保证成分均匀，得到高熵不锈钢铸锭。再进行1200℃均匀化退火处理1.5h，随炉冷却。
Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15高熵不锈钢XRD图谱如图1所示，从图中能够看出是FCC/L12+BCC结构，BCC相增多，FCC相对较少；图3是Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15高熵不锈钢室温应力应变曲线，屈服强度达到约1200MPa，均匀应变超过30％，具有良好的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种富铁高强韧双相高熵不锈钢，其特征在于，该不锈钢的化学组成为Fex(CrNiMn)y(AlTi)z，x＝35～55at％，y＝30～60at％，z＝5～15at％，Cr、Ni、Mn为等原子比，Al、Ti为等原子比；
该不锈钢的化学组成为：
Fe35(CrNiMn)60(AlTi)5、Fe35(CrNiMn)55(AlTi)10、Fe35(CrNiMn)50(AlTi)15、Fe45(CrNiMn)50(AlTi)5、Fe45(CrNiMn)45(AlTi)10、Fe45(CrNiMn)40(AlTi)15、Fe55(CrNiMn)40(AlTi)5、Fe55(CrNiMn)35(AlTi)10或Fe55(CrNiMn)30(AlTi)15。
2.权利要求1所述富铁高强韧双相高熵不锈钢的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
在保护气氛下，将原料物进行熔炼处理，得到熔炼液；
待熔炼液冷却后进行均匀化处理，冷却后得到富铁高强韧双相高熵不锈钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为1100～1300℃，时间为1～3h。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氩气气氛。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼处理的压强为-0.01～-0.02MPa，熔炼功率为80～100kW。
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