CN115558833A - 一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金及其制备方法。该高熵合金的化学成分按重量百分比计如下：Fe30～50％；Ni20～35％；Cr10～20％；Al2～10％；Ti1～6％。该方法通过电弧熔炼和铜模铸造法制备出高熵合金板材，其结构是FCC基体和BCC晶间双相组成。其中，晶间析出相是由无序BCC、有序B2‑Ni(Al,Ti)和L21‑Ni2AlTi组成，且形貌随着Ti含量的改变由板条状向椭球形转变。本发明通过微量Ti元素添加，实现了不同有序度、形貌及体积分数的分级第二相强化，显著增加了高熵合金的强度，同时保持了优异的塑性变形能力。该高熵合金制备工艺流程简单，强韧化效果显著，极大地提高了其在结构材料领域的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金作为一种新型合金材料，打破了传统的单一组元合金设计理念，通过加入新的元素种类或改变成分配比来突破传统金属材料的性能瓶颈，使其具有高强度、高硬度、耐磨性、抗氧化性和耐蚀性等优异的性能，目的是满足日益严苛复杂的工程环境所需。该合金的高熵效应可以抑制元素的偏聚和和化合，形成简单的固溶体相，主要包括面心立方结构(FCC)、体心立方结构(BCC)和密排六方结构(HCP)。FeNiCrAl作为典型的单相FCC高熵合金，在室温下拥有优异的塑性和断裂韧性(延伸率约70％)，但其屈服强度仅约为200MPa，难以获得实际应用。
研究发现，高熵合金的强化方式与传统合金相同，可分为固溶强化，第二相强化，加工硬化以及细晶强化。与其它强化方法相比，在FCC基体中析出BCC第二相可显著提高合金材料的综合力学性能。其中，最具有代表性的研究是在FeNiCrAl合金中添加Nb、Mo等元素来提高其强度，然而生成的拓扑密堆相(TCP)会严重损失合金的塑性，无法达到强塑性平衡。因此，如何调控第二相的合理析出已经成为制备高熵合金亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金及其制备方法，该高熵合金为FCC和BCC双相结构，不仅避免了TCP的生成，还具有良好的强度和塑性。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，按重量百分比计，该高熵合金的化学成分如下：
Fe：30～50％；Ni：20～35％；Cr：10～20％；Al：2～10％；Ti：1～6％。
所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，高熵合金的微观组织包括FCC基体相和在晶界析出的BCC相，FCC为Fe、Cr富集的无序结构基体相。
(1)所述BCC相随着Ti含量的增加，其体积占比由10％增加至35％；
(2)所述BCC相随着Ti含量的增加，其形貌由板条状向椭球形转变；
(3)所述BCC相是由无序BCC、有序B2-Ni(Al,Ti)和L21-Ni2AlTi组成。
所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，该高熵合金室温条件下的屈服强度为250～950MPa，抗拉强度为500～1400MPa，延伸率为10～66％。
所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按预设成分配比称取原材料，将其置于坩埚中，采用电弧熔炼制备合金锭；
(2)将所述的合金锭通过电弧熔炼加热熔化，利用铜模铸造法浇铸成FeNiCrAlTi高熵合金板材。
所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，步骤(1)中，先将真空腔室预抽真空至气压低于5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，使真空腔室气压为3×104～9×104Pa，再进行电弧熔炼，熔炼电流为250～500A。
所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，步骤(2)中，采用电弧熔炼加热熔化后，合金熔化电流为300～600A，合金熔体温度为合金熔点以上100～500℃，将合金熔体倒入相应尺寸的铜模中，获得FeNiCrAlTi高熵合金板材。
本发明的设计思想及存在的优点如下：
1、本发明通过在FeNiCrAl合金中添加Ti元素(1～6％)，生成以FCC为基体，BCC为析出相的双相结构高熵合金。其中，晶间析出相是由无序BCC、有序B2-Ni(Al,Ti)和L21-Ni2AlTi组成，且形貌随着Ti含量的改变由板条状向椭球形转变。从而，在提升高熵合金强度的同时还使其具有较高的塑性。
2、本发明通过微量Ti元素添加，实现了不同有序度、形貌及体积分数的分级第二相强化，显著增加了高熵合金的强度，同时保持了优异的塑性变形能力。本发明提供的高熵合金室温拉伸屈服强度～900MPa，抗拉强度～1300MPa，塑性>14％。同时该合金的制备成本低廉，流程短，工艺简单，使其具有了更高的应用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例的XRD图谱。
图2为本发明实施例的工程应力-应变图。
图3为本发明实施例制备的高熵合金的扫描电子显微图片。其中，图3(a)为实施例1，图3(b)为实施例2，图3(c)为实施例3。
图4为本发明实施例制备的高熵合金的暗场透射电子显微图片。其中，图4(a)为实施例1，图4(b)为实施例2，图4(c)为实施例3。
图5为本发明实施例制备的高熵合金的选区电子衍射图谱。其中，图5(a)为实施例1，图5(b)为实施例2，图5(c)为实施例3。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
在具体实施过程中，本发明提供具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金及其制备方法，该合金的化学成分、微观形貌及具体制备技术如下：
1、按重量百分比计，该高熵合金的化学成分如下：Fe：30～50％；Ni：25～35％；Cr：10～20％；Al：2～10％；Ti：1～10％。
2、该高熵合金的微观组织特征，说明如下：
(1)合金的微观组织包括FCC基体相和在晶界析出的BCC相。
(2)FCC为Fe、Cr富集的无序结构基体相。
(3)BCC相随着Ti含量的增加，其体积占比由10％增加至35％，其形貌由板条状向椭球形转变；
(4)BCC相是由无序BCC、有序B2-Ni(Al,Ti)和L21-Ni2AlTi组成。
3、该高熵合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按预设成分配比称取纯度大于99.95wt.％的金属原材料，合金化学成分如表1所示，先将真空腔室预抽真空至气压为3.4×10-3Pa，然后充入体积纯度为99.999％的氩气，使真空腔室气压为4×104Pa。合金熔炼电流为380A，熔炼2分钟，每次熔炼后翻转合金再次熔炼，至少重复5次，直至合金成分均匀，制备成合金锭；
(2)将合金锭放入水冷铜坩埚中，将真空腔室抽真空至气压为3.4×10-3Pa，然后充入体积纯度为99.999％的氩气，使真空腔室气压为4×104Pa。将合金锭通过电弧熔炼加热熔化，合金熔化电流为400A，加热3分钟至合金成熔融态，合金熔体温度为合金熔点以上300℃，然后将合金熔体快速倒入相应尺寸的铜模中，获得尺寸为70mm×22mm×4mm的FeNiCrAlTi高熵合金板材。
表1合金化学成分(wt.％)
| Fe | Ni | Cr | Al | Ti | |
| 实施例1 | 47.496 | 29.950 | 14.740 | 5.099 | 2.715 |
| 实施例2 | 47.593 | 28.9 | 14.770 | 5.110 | 3.627 |
| 实施例3 | 47.691 | 27.845 | 14.801 | 5.120 | 4.543 |
表2本发明实施例高熵合金的析出相体积占比
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| BCC相占比(％) | 13.203 | 17.885 | 31.166 |
表3本发明实施例高熵合金的室温力学性能
| 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) | |
| 实施例1 | 463 | 833 | 40 |
| 实施例2 | 623 | 1024 | 21 |
| 实施例3 | 897 | 1292 | 14 |
如图1所示，实施例1-实施例3高熵合金的相组成，均为FCC和BCC双相结构。如图2所示，基体是由Fe、Cr元素富集的FCC组成，其具有较多的滑移系，可以提供良好的塑性性能。晶间是由Ni、Al和Ti富集的BCC组成，其具有阻碍位错滑移的能力，可提供良好的强度。此外，如表2所示，随着Ti含量的增大，实施例的BCC体积占比由13.203％逐渐增加至31.166％，这种双相结构可实现良好的强塑平衡。采用线切割的方法，从高熵合金板材上切取标距长度为16mm，截面尺寸为2.5mm×1.5mm，总长度为38mm的拉伸样品。室温拉伸实验使用Instron 5582型万能材料试验机进行，拉伸速率为1×10-3s-1，合金的拉伸曲线见图3，且室温力学性能列于表3，随着BCC占比增加，本发明高熵合金实施例的屈服强度由463MPa提升至897MPa，抗拉强度由833MPa提升至1292MPa，延伸率可保持在14％以上。
如图4所示，实施例1析出相呈规则的迷宫状网状结构，一般认为是由旋结分解产生的BCC、B2和L21相。实施例2析出立方晶相，并与BCC基体的特定结晶方向排列。实施例3显示析出相呈椭圆形，且特定排列消失。如图5所示，实施例的衍射点证明了析出相是由无序BCC、有序B2-Ni(Al,Ti)和L21-Ni2AlTi组成。由于Ti会对合金的有序化产生影响，当Ti含量增加时，有序B2-Ni(Al,Ti)向更有序的L21-Ni2AlTi进行转化，析出相的尺寸增大，导致析出相与基体间的晶格失配率增大，丧失共格性，改变析出相的形貌。
实施结果表明，本发明在单相FCC FeNiCrAl合金的基础上引入Ti元素，通过一定的工艺手段制得了具有优异力学性能的FeNiCrAlTi高熵合金。该高熵合金的结构是FCC基体和BCC晶间双相组成，避免了TCP的生成，实现良好的强塑平衡，屈服强度为897MPa，抗拉强度为1292MPa，延伸率可保持在14％以上。本发明高熵合金制备工艺流程简单，强韧化效果显著，极大地提高了其在结构材料领域的应用价值。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，其特征在于，按重量百分比计，该高熵合金的化学成分如下：
Fe：30～50％；Ni：20～35％；Cr：10～20％；Al：2～10％；Ti：1～6％。
2.根据权利要求1所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，其特征在于，高熵合金的微观组织包括FCC基体相和在晶界析出的BCC相。
3.根据权利要求2所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，其特征在于，FCC为Fe、Cr富集的无序结构基体相。
4.根据权利要求2所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，其特征在于：
(1)所述BCC相随着Ti含量的增加，其体积占比由10％增加至35％；
(2)所述BCC相随着Ti含量的增加，其形貌由板条状向椭球形转变；
(3)所述BCC相是由无序BCC、有序B2-Ni(Al,Ti)和L21-Ni2AlTi组成。
5.根据权利要求1所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金，其特征在于，该高熵合金室温条件下的屈服强度为250～950MPa，抗拉强度为500～1400MPa，延伸率为10～66％。
6.一种权利要求1至5之一所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按预设成分配比称取原材料，将其置于坩埚中，采用电弧熔炼制备合金锭；
(2)将所述的合金锭通过电弧熔炼加热熔化，利用铜模铸造法浇铸成FeNiCrAlTi高熵合金板材。
7.根据权利要求6所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，先将真空腔室预抽真空至气压低于5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，使真空腔室气压为3×104～9×104Pa，再进行电弧熔炼，熔炼电流为250～500A。
8.根据权利要求6所述的具有分级析出相强化的高强韧FeNiCrAlTi高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用电弧熔炼加热熔化后，合金熔化电流为300～600A，合金熔体温度为合金熔点以上100～500℃，将合金熔体倒入相应尺寸的铜模中，获得FeNiCrAlTi高熵合金板材。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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