CN115505812A - 一种软磁中熵合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种软磁中熵合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种软磁中熵合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种软磁中熵合金，所述软磁中熵合金的化学组成为(FeCoNi)1‑x‑yAlxMny；所述FeCoNi、Al和Mn的摩尔为(1‑x‑y)：x：y；所述x的取值范围为0.07～0.2；所述y的取值范围为0.02～0.1。本发明通过在FeCoNi基体中添加Al和Mn，能够进一步提升软磁中熵合金的塑性和软磁性能。

Description

一种软磁中熵合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种软磁中熵合金及其制备方法和应用。
背景技术
高熵合金和中熵合金是一种新型的合金材料。其中高熵合金的混合熵(ΔSmix)＞1.6R，一般由五种或五种以上的合金元素组成的，其原子百分比不超过35％，具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。然而大部分的高熵合金的成本高、性能不稳定，很难将其进行产业化应用。
而中熵合金的混合熵为1.6R≥ΔSmix≥1R，相比于高熵合金来说具有更优异的力学性能，且更容易进行产业化，具有广阔的应用前景。
传统的中熵合金主要包括CoFeNi中熵合金、CoCrNi中熵合金和CoNiV中熵合金，相比于CoCrNi中熵合金和CoNiV中熵合金来说，CoFeNi中熵合金具有更优异的软磁性能，但是CoFeNi中熵合金的塑性较差，限制了其在磁性材料中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软磁中熵合金及其制备方法和应用，本发明提供的软磁中熵合金具有较高的塑性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种软磁中熵合金，所述软磁中熵合金的化学组成为(FeCoNi)1-x- yAlxMny；
所述FeCoNi、Al和Mn的摩尔为(1-x-y)：x：y；
所述x的取值范围为0.07～0.2；
所述y的取值范围为0.02～0.1。
优选的，所述x的取值范围为0.1～0.12；
所述y的取值范围为0.05～0.1。
本发明还提供了上述技术方案所述的软磁中熵合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述软磁中熵合金的化学组成将金属原料依次进行熔炼和第一热处理，得到合金锭；
将所述合金锭依次进行轧制和第二热处理，得到所述软磁中熵合金。
优选的，所述金属原料的纯度＞99％。
优选的，所述第一热处理在保护气氛中进行。
优选的，所述第一热处理的温度为1000～1200℃，保温时间为12～24h。
优选的，所述轧制为冷轧。
优选的，所述冷轧的轧制比为70～80％。
优选的，所述第二热处理的温度为750～850℃，保温时间为30～60min。
本发明还提供了上述技术方案所述的软磁中熵合金或上述技术方案所述的制备方法制备得到的软磁中熵合金在磁性材料中的应用
本发明提供了一种软磁中熵合金，所述软磁中熵合金的化学组成为(FeCoNi)1-x- yAlxMny；所述FeCoNi、Al和Mn的摩尔为(1-x-y)：x：y；所述x的取值范围为0.07～0.2；所述y的取值范围为0.02～0.1。本发明通过在FeCoNi基体中添加Al和Mn，并精确控制Mn和Al的添加含量，其中的Al能够和Ni与Co元素形成B2析出相，一方面在未再结晶区域内FCC基体上析出铁磁性B2纳米粒子，另一方面在再结晶区域内FCC和B2相以超细晶状态存在，能够进一步提高中熵合金的强度；同时Mn的添加能够在不影响合金的软磁性能的基础上使合金具有更好的塑性；本发明通过Al和Mn的协同效应，得到了强塑性和软磁性能均衡的中熵合金。
附图说明
图1为实施例1得到的软磁中熵合金的XRD图；
图2为实施例1得到的软磁中熵合金的SEM图；
图3为实施例1得到的软磁中熵合金的TEM图，其中图3a为再结晶区的TEM图，图3b为未再结晶区的TEM图；
图4为实施例2得到的软磁中熵合金的XRD图；
图5为实施例2得到的软磁中熵合金的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种软磁中熵合金，所述软磁中熵合金的化学组成为(FeCoNi)1-x- yAlxMny；
所述FeCoNi、Al和Mn的摩尔为(1-x-y)：x：y；
所述x的取值范围为0.07～0.2；
所述y的取值范围为0.02～0.1。
在本发明中，所述x的取值范围为0.07～0.2，进一步优选为0.1～0.12。在本发明中，所述y的取值范围为0.02～0.1，进一步优选为0.05～0.1。
在本发明中，所述软磁中熵合金的化学组成优选为(CoFeNi)0.85Al0.1Mn0.05或(CoFeNi)0.83Al0.12Mn0.05。
在本发明中，通过在FeCoNi基体中添加Al，并精确控制Al的含量，使得Al能够和Ni和Co元素形成B2析出相，其中在未再结晶区域内FCC基体上析出铁磁性B2纳米粒子；在再结晶区域内FCC和B2相以超细晶状态存在，进而进一步提升了软磁中熵合金的强度和软磁性能。在本发明中，所述铁磁性B2纳米粒子的粒径优选为50～100nm。在本发明中，所述FCC和B2相的粒径优选为200～800nm。
在本发明中，通过在FeCoNi基体中添加Mn，通过精确控制Mn的含量，使得Mn能够在不影响合金的软磁性能的基础上进一步提高合金的塑性。
本发明还提供了上述技术方案所述的软磁中熵合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述软磁中熵合金的化学组成将金属原料依次进行熔炼和第一热处理，得到合金锭；
将所述合金锭依次进行轧制和第二热处理，得到所述软磁中熵合金。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品
本发明按照所述软磁中熵合金的化学组成将金属原料依次进行熔炼和第一热处理，得到合金锭。
在本发明中，所述金属原料优选包括金属铁、金属钴、金属镍、金属铝和金属锰。在本发明中，所述金属原料的纯度优选为＞99％。
在本发明中，所述熔炼优选在真空条件下进行。在本发明中，所述熔炼的方式优选为电弧熔炼。本发明对所述电弧熔炼的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述熔炼优选在真空熔炼炉中进行。
本发明优选重复进行所述熔炼的过程，所述重复的次数优选为4～5次。本发明通过重复进行熔炼，能够合金材料均质化。
所述熔炼完成后，本发明将得到预合金锭进行第一热处理。在本发明中，所述第一热处理优选在保护气氛中进行；所述保护气氛优选为氩气。在本发明中，所述第一热处理的时间优选为1000～1200℃，进一步优选为1100℃；升温至所述第一热处理温度的升温速率优选为10℃/min；保温时间优选为12～24h，进一步优选为15～20h。在本发明中，所述第一热处理优选为热处理炉中进行。
所述第一热处理完成后，本发明还优选包括将得到的合金料进行水淬处理。本发明对所述水淬处理的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
得到所述合金锭后，本发明将所述合金锭依次进行轧制和第二热处理，得到所述软磁中熵合金。
进行所述轧制前，本发明还优选包括将所述合金锭进行线切割。本发明对所述线切割的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述线切割后得到的合金锭的尺寸优选为100*20*10mm。
在本发明中，所述轧制优选为冷轧。在本发明中，所述冷轧的轧制比优选为70～80％，进一步优选为72～78％，更优选为73～75％。在本发明中，所述冷轧优选沿着所述合金锭的高度方向进行。
所述轧制完成后，本发明将所述轧制得到的合金带材进行第二热处理。
在本发明中，所述第二热处理的温度优选为750～850℃，进一步优选为760～830℃，更优选为780～800℃；升温至所述第二热处理温度的升温速率优选为10℃/min；保温时间优选为30～60min，进一步优选为35～55min，更优选为40～50min。
本发明通过上述热处理过程，能够消除大部分位错，减小磁畴，但也保留了部分未再结晶区域，以提高合金强度；在未再结晶区域内FCC基体内含有高密度的铁磁性B2纳米粒子，从而实现力学性能与软磁性能的均衡；同时在再结晶区域内FCC和B2相均以超细晶状态存在，能够进一步提升合金的强塑性。
本发明得到的软磁中熵合金的极限抗拉强度为1300～1700MPa，室温屈服强度为1000～1400MPa，延伸率为14～30％；室温饱和磁化强度为119～130emu/g，矫顽力为454～800Oe。
本发明还提供了上述技术方案所述的软磁中熵合金或上述技术方案所述的制备方法制备得到的软磁中熵合金在磁性材料中的应用。本发明对所述应用的具体实施方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种软磁中熵合金及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例中的软磁中熵合金的化学组成为(CoFeNi)0.85Al0.1Mn0.05，其中Co、Fe、Ni、Al和Mn的摩尔比为0.284：0.283：0.283：0.1：0.05；
按照上述化学组成称取30.66g金属钴、28.95g金属铁、30.42g金属镍、4.94g金属铝和5.03g金属锰(其中，各金属原料额纯度为99.9％)，将上述金属原料放入真空熔炼炉中，在真空环境中进行电弧熔炼，重复熔炼5次，得到预合金锭；然后放入热处理炉中，在氩气气氛下、以10℃/min的升温速率升温至1100℃进行第一热处理，保温时间为24h，经水淬处理得到合金锭；
将得到的合金锭进行线切割，得到尺寸为100*20*10mm的合金片；然后沿着合金片的高度方向进行冷轧，轧制比为80％，得到合金带材；
将得到的合金带材放入热处理炉中，在氩气保护气氛下、以10℃/min的升温速率升温至800℃进行第二热处理，保温时间为60min，得到所述软磁中熵合金。
实施例2
本实施例中的软磁中熵合金的化学组成为(CoFeNi)0.83Al0.12Mn0.05，其中Co、Fe、Ni、Al和Mn的摩尔比为0.277：0.277：0.276：0.12：0.05；
按照上述化学组成称取30.24g金属钴、28.55g金属铁、30.12g金属镍、6g金属铝和5.09g金属锰(其中，各金属原料额纯度为99.9％)，将上述金属原料放入真空熔炼炉中，在真空环境中进行电弧熔炼，重复熔炼5次，得到预合金锭；然后放入热处理炉中，在氩气气氛下、以10℃/min的升温速率升温至1100℃进行第一热处理，保温时间为24h，经水淬处理得到合金锭；
将得到的合金锭进行线切割，得到尺寸为100*20*10mm的合金片；然后沿着合金片的高度方向进行冷轧，轧制比为75％，得到合金带材；
将得到的合金带材放入热处理炉中，在氩气保护气氛下、以10℃/min的升温速率升温至850℃进行第二热处理，保温时间为60min，得到所述软磁中熵合金。
性能测试
测试例1
对实施例1得到的软磁中熵合金进行X氩气保护射线衍射测试，得到的XRD图如图1所示，从图1可以看出，本实施例得到的软磁中熵合金含有面心立方FCC相和B2析出相，体积分数分别为63.1％和36.9％，表明本实施例得到的软磁中熵合金具有优异的磁性和塑性。
测试例2
对实施例1得到的软磁中熵合金进行扫描电镜测试，得到的SEM图如图2所示，从图2可以看出，本实施例得到的软磁中熵合金含有再结晶区和未再结晶区，在未再结晶晶粒区域含有高密度的纳米颗粒。
测试例3
对实施例1得到的软磁中熵合金进行透射电镜检测，得到的TEM图如图3所示，其中图3a为再结晶区的TEM图，图3b为未再结晶区的TEM图；从图3a可以看出再结晶区中FCC和B2相以超细晶状态存在；从图3b可以看出未再结晶区的FCC基体内析出铁磁性B2纳米粒子；
从图1～3可以看出，本实施例得到的软磁中熵合金呈现出多级异质结构。
测试例4
对实施例2得到的软磁中熵合金进行X射线衍射测试，得到的XRD图如图4所示，从图4可以看出，本实施例得到的软磁中熵合金含有面心立方FCC相和B2析出相，体积分数分别为66％和34％。
测试例5
对实施例2得到的软磁中熵合金进行扫描电镜测试，测到的SEM图如图5所示，从图5可以看出，本实施例得到的软磁中熵合金含有再结晶区和未再结晶区，在未结晶晶粒区域含有高密度的纳米颗粒。
测试例6
对实施例1～2得到的软磁中熵合金的力学性能和磁性能进行测试；
其中室温屈服强度和极限抗拉强度按照GB/T228-2002测试标准以10-3/s的拉伸速率在Instron万能试验机进行测试；
磁性能运用振动样品磁强计在室温进行测试；
得到的测试结果如表1所示；
表1实施例1和2得到的软磁中熵合金力学性能和磁性能测试结果
实施例1 实施例2
室温屈服强度/GPa 1.0 1.3
极限抗拉强度/GPa 1.3 1.6
延伸率/％ 24 14
磁饱和强度/emu·g<sup>-1</sup> 119.8 123.6
矫顽力/A·m<sup>-1</sup> 454.8 752.4
从表1可以看出，本发明得到的软磁中熵合金具有优异的力学性能和软磁性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种软磁中熵合金，其特征在于，所述软磁中熵合金的化学组成为(FeCoNi)1-x- yAlxMny；
所述FeCoNi、Al和Mn的摩尔为(1-x-y)：x：y；
所述x的取值范围为0.07～0.2；
所述y的取值范围为0.02～0.1。
2.根据权利要求1所述的软磁中熵合金，其特征在于，所述x的取值范围为0.1～0.12；
所述y的取值范围为0.05～0.1。
3.权利要求1～2任一项所述的软磁中熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照所述软磁中熵合金的化学组成将金属原料依次进行熔炼和第一热处理，得到合金锭；
将所述合金锭依次进行轧制和第二热处理，得到所述软磁中熵合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属原料的纯度＞99％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一热处理在氩气保护气氛中进行。
6.根据权利要求3或5所述的制备方法，其特征在于，所述第一热处理的温度为1000～1200℃，保温时间为12～24h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述轧制为冷轧。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述冷轧的轧制比为70～80％。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第二热处理的温度为750～850℃，保温时间为30～60min。
10.权利要求1～2任一项所述的软磁中熵合金或权利要求3～9任一项所述的制备方法制备得到的软磁中熵合金在磁性合金材料中的应用。
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