CN115595515A - 一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材及其制备方法，所述板材的原料组分质量百分比为Mn：Cr：Ni：C：Fe=5~15%、15~25%、5~15%、0~0.5%、44.5~75%。该高强韧耐腐蚀高熵钢板材由纯度均大于99.95%的Fe、Cr、Ni和含碳量2%的Fe‑C合金以及原子比为1：1的Fe‑Mn合金作为原料由电弧炉熔炼而成。具体制备过程包括：前处理、铸锭熔炼、合金均匀化、机械加工、热处理五个步骤。本发明基于多主元合金设计理念，充分发挥多主元合金的鸡尾酒效应，使合金具有较好的强度和耐腐蚀性能。本发明所述高强韧耐腐蚀高熵钢板材组织均匀，抗拉强度均大于850MPa，断裂应变均大于25%，而且在3.5wt.%NaCl溶液里表现出更加优异的耐腐蚀性能，可应用于腐蚀环境中服役的结构材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材及其制备方法，属于合金技术领域。
背景技术
高强韧、高耐腐蚀性能及良好加工性能是工程结构材料的主要发展方向，在航空航天、海洋、汽车和石油等领域有广泛的应用前景。目前常见的有钛合金、奥氏体不锈钢等。钛合金具有高强韧、耐腐蚀性能好、密度低等特点，目前在航空航天、海洋等高端领域应用较多，然而其价格昂贵，限制了大规模应用。奥氏体不锈钢(如304、316钢等)具有良好的耐腐蚀性能、优异的加工性能及相对较低的成本，是目前最主要的工程结构材料之一，但其强度较低，难以满足重载、腐蚀的需求。
多主元合金突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架，是一种新的合金设计理念。这类合金的特点是元素多且其浓度高，使得合金具备优良的综合性能，比如高强韧性、高耐磨性、高耐腐蚀性和良好的高温稳定性等。多主元合金虽然拥有很多优异的性能，但由于使用大量的Co、Cr等昂贵元素，导致成本高，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明旨在提供一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材及其制备方法，以低成本的 Fe、Mn元素为主，通过添加适量的Cr、Ni元素以提升合金的耐蚀性能，添加一定量的间隙元素C以增强固溶强化，再经过均匀化和机械加工处理，设计制备出一种非等原子比高强韧耐腐蚀高熵钢板材，在满足使用性能的条件下显著降低其成本，为工业化应用奠定基础。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
本发明提供了一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材，其原料组分按质量百分比为 Mn：Cr：Ni：C：Fe＝5～15％、15～25％、5～15％、0～0.5％、44.5～75％。
本发明提供了一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)以纯度不低于99.95wt.％的Fe、Cr、Ni单质，含碳量为2％的Fe-C合金和原子比为1：1的Fe-Mn合金作为原料，先用不同型号砂纸(400#、800#、 1000#、1200#、1500#、2000#)打磨原料表面，去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗，干燥备用，按照原料组分配比配料；
(2)将配好原料按放置要求，放入熔炼炉坩埚中，抽真空，往炉内充入保护气体；开始熔炼，先熔炼钛块，再分别熔炼Cr单质，Fe、Ni单质，Fe-C合金和Fe-Mn合金，最后将熔炼完成的各合金移到同一坩埚再整体熔炼；合金熔炼翻转5-7次以保证成分均匀性；熔炼结束后，逐步降低熔炼电流让合金缓慢冷却，得到合金铸锭；
(3)将合金铸锭在高纯保护气体下加热到一定温度保温一段时间，取出进行水淬火；
(4)将水淬火后的铸锭进行室温冷轧得到合金板材；
(5)将合金板材在保护气体下进行中温退火处理，得到高强韧耐腐蚀高熵钢板材。
所述步骤(1)中，所述超声清洗时间不低于20min，干燥时间不低于1h。
所述步骤(2)中，所述原料放置包括：Cr单质放入1号坩埚内，Fe-C合金及Fe-Mn合金放入2号坩埚内，Fe和Ni单质放入3号坩埚中，单独放入4号坩埚中；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为 0.4×105～0.5×105Pa，气体为氩气，其纯度不低于99.99wt.％；
所述步骤(2)中，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气。将电弧移到1号坩埚，控制电流380～400A熔炼Cr单质2～3次；将电极移到2号坩埚，控制电流 350～380A熔炼Fe-C合金和Fe-Mn合金2～3次；将电极移到3号坩埚的Fe和Ni 单质，控制在300～350A熔炼2～3次；将1、2号坩埚内铸锭移到3号坩埚内再熔炼不少于3遍。熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电极对准铸锭中心控制电流180～200A熔炼不少于1min，断弧后将合金随炉冷却得到饼状铸锭。
所述步骤(3)中，所述合金均匀化温度控制在1100～1300℃之间，时间为2～24h，气氛为氩气，优选地均匀化温度为1200℃，时间为2～4h。
所述步骤(4)中，所述机械加工处理为单向多道次轧制，单道次轧制量控制在5～10mm/次，轧制变形量控制在50～95％。
所述步骤(5)中，所述热处理温度控制在500～1000℃之间，时间为0.5～12h，随炉冷却至400℃取出空冷，气氛为氩气，优选地热处理温度为650～750℃，时间为1～2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明内容的高强韧耐腐蚀高熵钢板材成分准确、微观组织均匀，为单相 FCC结构；
(2)本发明内容的高强韧耐腐蚀高熵钢板材抗拉强度超过850MPa，断裂应变在25％以上，具有优异的断裂强度和塑性变形能力；
(3)本发明内容的高强韧耐腐蚀高熵钢板材在3.5％氯化钠溶液中表现出优异的耐蚀性能；
(4)本发明内容的高强韧耐腐蚀高熵钢板材以廉价的铁为主元，大大降低高熵钢板材的成本，并且制备工艺简单，易于实现，适合推广应用。
附图说明
图1是实施例1、实施例2高强韧耐腐蚀高熵钢板材的XRD图谱；
图2是实施例1、实施例2高强韧耐腐蚀高熵钢板材的金相显微组织；
图3是实施例1、实施例2和对比例的拉伸应力-应变曲线图
图4是实施例1、实施例2和对比例的电化学腐蚀极化曲线；
图5是实施例1、实施例2和对比例的腐蚀电压和腐蚀电流。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施方式是一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材，原料质量百分比为：Fe 60.51％、Cr 18.77％、Ni 10.60％、Mn 9.92％、C 0.2％，原料纯度均大于99.95％。
上述用于一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)前处理：各原料经不同型号砂纸(400#、800#、1000#、1200#、1500#、 2000#)打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
(2)铸锭熔炼：将配好原料放入熔炼炉坩埚中。其中，Cr单质放入1号坩埚内，Fe-C合金及Fe-Mn合金放入2号坩埚内，Fe、Ni单质放入3号坩埚中，钛块放入4号坩埚中；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105～0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气。将电弧移到 1号坩埚，控制电流380～400A熔炼Cr单质2～3次；将电极移到2号坩埚，控制电流350～380A熔炼Fe-C合金和Fe-Mn合金2～3次；将电极移到3号坩埚的Fe 和Ni单质，控制在300A～350A熔炼2～3次；将1、2号坩埚内铸锭移到3号坩埚内再熔炼不少于3遍。熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电极对准铸锭中心控制电流180～200A熔炼不少于1min，断弧后将合金随炉冷却得到饼状铸锭；
(3)合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1200℃均匀化3h，再进行水淬火，保护气体为氩气；
(4)机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在7mm/次，轧制变形量控制在90％，获得合金板材；
(5)热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于700℃下热处理1h，随炉冷却至400℃取出空冷。保护气体为氩气。获得高强韧耐腐蚀高熵钢板材。
对本实施例1制备的耐腐蚀高熵钢板材，进行力学性能、电化学实验测试，其抗拉强度为856MPa，断裂应变是30.5％，板材在3.5wt.％NaCl溶液中腐蚀电压是-0.2471，腐蚀电流密度是2.5309×10-7；
实施例2：
本实施方式是一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材包括一下质量百分比的原料：Fe60.44％、Cr 18.76％、Ni 10.59％、Mn 9.91％、C0.3％，这些原料的纯度均≥99.95％。
上述用于一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)前处理：各原料经不同型号砂纸(400#、800#、1000#、1200#、1500#、 2000#)打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
(2)铸锭熔炼：将配好原料放入熔炼炉坩埚中。其中，Cr单质放入1号坩埚内，Fe-C合金及Fe-Mn合金放入2号坩埚内，Fe、Ni单质放入3号坩埚中，钛块放入4号坩埚中；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105～0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气。将电弧移到 1号坩埚，控制电流380～400A熔炼Cr单质2～3次；将电极移到2号坩埚，控制电流350～380A熔炼Fe-C合金和Fe-Mn合金2～3次；将电极移到3号坩埚的Fe 和Ni单质，控制在300A～350A熔炼2～3次；将1、2号坩埚内铸锭移到3号坩埚内再熔炼不少于3遍。熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电极对准铸锭中心控制电流180～200A熔炼不少于1min，断弧后将合金随炉冷却得到饼状铸锭；
(3)合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1200℃均匀化3h，再进行水淬火，保护气体为氩气；
(4)机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在7mm/次，轧制变形量控制在90％，获得合金板材；
(5)热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于700℃下热处理1h，随炉冷却至400℃取出空冷。保护气体为氩气。获得高强韧耐腐蚀高熵钢板材。
对本实施例2制备的耐腐蚀高熵钢板材，进行力学性能、电化学实验测试，其抗拉强度为1026MPa，断裂应变是27.8％，板材在3.5wt.％NaCl溶液中腐蚀电压是-0.3513，腐蚀电流密度是2.3214×10-7；
对比例：
原料质量百分比为：Fe 60.63％、Cr 18.82％、Ni 10.62％、Mn 9.94％，这些原料的纯度均≥99.95％。
对比例制备方法和实施例制备方法完全相同。
对比例进行力学性能、电化学实验测试，其抗拉强度为813MPa，断裂应变是23.8％，板材在3.5wt.％NaCl溶液中腐蚀电压是-0.1989，腐蚀电流密度是2.6512 ×10-7；
综上，板材的原料组分质量百分比为Mn：Cr：Ni：C：Fe＝5～15％、15～25％、 5～15％、0～0.5％、44.5～75％。熔炼工艺根据各原料熔点不同采用在不同坩埚内熔炼，最后合并熔炼的方法制备得到的高强韧耐腐蚀高熵钢板材，具有高强韧，优异耐腐蚀性。本发明多主元合金制备工艺简单，易于实现，可应用于腐蚀环境中服役的结构材料。
Claims (9)
1.一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材，其特征在于，所述板材的原料组分质量百分比为Mn：Cr：Ni：C：Fe=5~15%、15~25%、5~15%、0~0.5%、44.5~75%。
2.根据权力要求1所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材，其特征在于，所述一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法包括以下步骤：
（1）前处理：以Fe、Cr、Ni元素单质，Fe-C合金和Fe-Mn合金为原料，经砂纸打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗，于干燥箱中干燥，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：将配好原料按放置要求，放入熔炼炉坩埚中，抽真空，往炉内充入保护气体；开始熔炼，先熔炼钛块，再分别熔炼Cr单质，Fe、Ni单质，Fe-C合金和Fe-Mn合金，最后将单独熔炼后的各合金移到同一坩埚再整体熔炼；合金熔炼翻转5-7次以保证成分均匀性；熔炼结束后，逐步降低熔炼电流让合金缓慢冷却，得到合金铸锭；
（3）合金均匀化：将合金铸锭在高纯保护气体下于一定温度内保温一段时间，再进行水淬火处理；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行室温轧制得到合金板材；
（5）热处理：将合金板材在保护气体下进行中温退火处理，得到高强韧耐腐蚀高熵钢板材。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，所述步骤（1）前处理：原料包括Fe、Cr、Ni单质元素，含碳量为2%的Fe-C合金和原子比为1：1的Fe-Mn合金，纯度均大于99.95%；称取前，将各原料表面氧化皮和杂质经砂纸去除干净，超声清洗时间不低于20min，干燥时间不低于1h。
4.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，所述步骤（2）铸锭熔炼的放置要求：Cr单质放入1号坩埚内，Fe-C合金及Fe-Mn合金放入2号坩埚内，Fe和Ni单质放入3号坩埚中，钛块放入4号坩埚中；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105~0.5×105Pa，气体为氩气，其纯度不低于99.99wt.%。
5.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，将电弧移到1号坩埚，控制电流380~400A熔炼Cr单质2~3次；将电极移到2号坩埚，控制电流350~380A熔炼Fe-C合金和Fe-Mn合金2~3次；将电极移到3号坩埚的Fe和Ni单质，控制在300~350A熔炼2~3次；将1、2号坩埚内铸锭移到3号坩埚内再熔炼不少于3遍，熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电极对准铸锭中心控制电流180~200A熔炼不少于1min，断弧后将合金随炉冷却得到饼状铸锭。
6.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，所述合金均匀化温度控制在1100~1300℃之间，时间为2~24h，气氛为氩气，优选地均匀化温度为1200℃，时间为2~4h。
7.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，所述机械加工为单向多道次轧制，单道次轧制量控制在5~10mm/次，轧制变形量控制在50~95%。
8.根据权利要求2所述的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材制备方法，其特征在于，所述热处理温度控制在500~1000℃之间，时间为0.5~12h，随炉冷却至400℃取出空冷，气氛为氩气，优选地热处理温度为650~750℃，时间为1~2h。
9.本发明所制备的一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材，可应用于腐蚀环境中服役的结构部件。
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|---|---|---|---|---|
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2022
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