CN115612907B - 一种高性能六元高熵合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能六元高熵合金，该六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为AlaCobCrcFedNieTif，且各元素的原子摩尔比a:b:c:d:e:f＝(0.3～0.5):(1～2):1:(1～2):(1～2):(0.3～0.5)。本发明通过对各添加元素的种类及含量进行控制，有效调节了六元高熵合金的相组成及微观组织结构，避免合金中形成析出金属间化合物相σ和η降低合金的性能尤其是塑性，从而同时提高了六元高熵合金的塑性和强度，获得高强高韧的AlCoCrFeNiTi六元高熵合金，适用于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种高性能六元高熵合金。
背景技术
金属材料在人类社会的发展中一直起着举足轻重的关键作用，我国的科技发展也对高性能的新型金属材料提出了更高要求。传统合金的设计理念是以一种或两种元素为主，添加少量其它元素为辅来改变或优化性能，目前已经开发了大量的实用合金。但经过多年的开发，传统合金的性能已经趋于瓶颈，亟需颠覆性的新型合金设计理念。高熵合金就是近年涌现的一种具有广阔应用潜力的新型高性能金属材料。
高熵合金因其独特的性能而成为研究热点。许多高熵合金具有高强度和硬度，优异的耐磨性、耐腐蚀性和耐温性，其中，CoCrFeNi高熵合金由单一的面心立方(FCC)相组成，是目前研究最深入的高熵合金。单相FCC高熵合金具有良好的塑性、韧性和断裂韧性，但其低强度限制了其应用。通过添加Al、Ti、Cu、Mn等元素，可以使CoCrFeNi发生相变，显著改变其性能。但对于六元AlCoCrFeNiTi高熵合金，部分元素的变动会使合金析出金属间化合物相σ和η，降低合金的性能，尤其是合金塑性。因此为了获得高强高韧的AlCoCrFeNiTi高熵合金，需对元素含量进行调控，同时提高其强度和塑性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高性能六元高熵合金。该六元高熵合金通过对各添加元素的种类及含量进行控制，有效调节了六元高熵合金的相组成及微观组织结构，避免合金中形成析出金属间化合物相σ和η降低合金的性能尤其是塑性，从而同时提高了六元高熵合金的塑性和强度，获得高强高韧的AlCoCrFeNiTi六元高熵合金。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高性能六元高熵合金，其特征在于，该六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为AlaCobCrcFedNieTif，且各元素的原子摩尔比a:b:c:d:e:f＝(0.3～0.5):(1～2):1:(1～2):(1～2):(0.3～0.5)；所述六元高熵合金的压缩屈服强度大于800MPa，抗压强度大于2000MPa，压缩应变大于30％。
本发明通过在合金中添加Ti和Al元素，使得合金中形成胞状结构，并控制Ti和Al元素的原子摩尔比例，避免合金中形成金属间化合物相σ和η降低合金的塑性，同时提高了六元高熵合金的塑性和强度；通过在合金中添加Co和Ni元素，使得合金中形成FCC相并形成枝晶结构，通过添加Fe元素，使得合金中形成FCC相并形成胞状结构，通过添加Cr元素并控制Cr元素添加量，避免合金中形成析出大量σ相、大幅降低合金塑性和强度。
上述的一种高性能六元高熵合金，其特征在于，所述各元素的原子摩尔比a:b:c:d:e:f＝0.5:1:1:2:1:0.5。
上述的一种高性能六元高熵合金，其特征在于，所述六元高熵合金由BCC和FCC相构成，其中，BCC相包括具有A2结构的BCC1相和具有B2结构的BCC2相。FCC相具有优异的韧塑性，而不论是具有A2结构的BCC1相和具有B2结构的BCC2相均具有较好的强度，进一步提高了六元高熵合金的塑性和强度。
上述的一种高性能六元高熵合金，其特征在于，所述六元高熵合金具有胞状或者枝晶状微观组织，其中，胞状微观组织中的FCC相和BCC相成片层状交错排列，枝晶状微观组织以FCC为枝晶相，BCC为枝晶间相。上述两种微观组织均包含韧塑性较好的FCC相和强度较好的BCC相，使得六元高熵合金呈现出优异的综合性能。
本发明六元高熵合金的制备过程为：按照六元高熵合金中各元素的原子摩尔比，采用质量纯度大于99.99％的高纯原材料进行配料得到混合料，然后将混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并关闭炉门对电弧熔炼炉抽真空至1×10-3Pa以下；通电引弧控制引弧电流为50A～75A，并调整熔炼电流为250A～300A进行熔炼，熔炼结束后在水冷铜坩埚中冷却，得到中间合金，将中间合金翻面后按照上述熔炼工艺反复熔炼8次使得合金组织均匀，反复熔炼结束后水冷铜坩埚中冷却30min，开炉取出得到六元高熵合金铸锭。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过对各添加元素的种类及含量进行控制，有效调节了六元高熵合金的相组成及微观组织结构，避免合金中形成析出金属间化合物相σ和η降低合金的性能尤其是塑性，从而同时提高了六元高熵合金的塑性和强度，获得高强高韧的AlCoCrFeNiTi六元高熵合金。
2、本发明六元高熵合金由FCC+BCC相构成，不包含金属间化合物相，并形成了枝晶或胞状微观结构；同时，该合金的调控方法简单有效，对AlCoCrFeNiTi合金的开发与应用具有重要价值。
3、本发明六元高熵合金的压缩屈服强度大于800MPa，抗压强度大于2000MPa，压缩应变大于30％，具有优异的力学性能，适用于航空航天领域。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的六元高熵合金纽扣锭的XRD图。
图2为本发明实施例1制备的六元高熵合金纽扣锭的SEM图。
图3为本发明实施例2制备的六元高熵合金纽扣锭的XRD图。
图4为本发明实施例2制备的六元高熵合金纽扣锭的SEM图。
图5为本发明实施例3制备的六元高熵合金纽扣锭的XRD图。
图6为本发明实施例3制备的六元高熵合金纽扣锭的SEM图。
图7为本发明实施例4制备的六元高熵合金纽扣锭的XRD图。
图8为本发明实施例4制备的六元高熵合金纽扣锭的SEM图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为Al0.5Co1Cr1Fe1.5Ni1Ti0.5。
本实施例的六元高熵合金的制备过程为：按照六元高熵合金Al0.5Co1Cr1Fe1.5Ni1Ti0.5中各元素的原子摩尔比，采用质量纯度大于99.99％的高纯原材料进行配料得到混合料，然后将200g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并关闭炉门对电弧熔炼炉抽真空至1×10-3Pa以下；通电引弧控制引弧电流为65A，并调整熔炼电流为300A进行熔炼，熔炼结束后在水冷铜坩埚中冷却，得到中间合金，将中间合金翻面后按照上述熔炼工艺反复熔炼8次使得合金组织均匀，反复熔炼结束后水冷铜坩埚中冷却30min，开炉取出得到六元高熵合金纽扣锭。
经观测，本实施例的六元高熵合金纽扣锭表面光亮，无肉眼可见缺陷。分别采用XRD、SEM对六元高熵合金纽扣锭的相构成和微观组织形态进行检测，结果如图1和图2所示；利用万能试验机对六元高熵合金纽扣锭进行室温压缩性能测试，结果显示：六元高熵合金纽扣锭的压缩屈服强度为1018.18MPa，抗压强度为2556.63MPa，压缩应变为36.7％。
图1为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的XRD图，从图1可以看出，该六元高熵合金纽扣锭由BCC和FCC相构成，其中，BCC相包括具有A2结构的BCC1相和具有B2结构的BCC2相。
图2为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的SEM图，从图2可以看出，该六元高熵合金纽扣锭具有枝晶状微观组织。
实施例2
本实施例的六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为Al0.5Co1Cr1Fe1Ni1.5Ti0.5。
本实施例的六元高熵合金的制备过程为：按照六元高熵合金Al0.5Co1Cr1Fe1Ni1.5Ti0.5中各元素的原子摩尔比，采用质量纯度大于99.99％的高纯原材料进行配料得到混合料，然后将200g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并关闭炉门对电弧熔炼炉抽真空至1×10-3Pa以下；通电引弧控制引弧电流为70A，并调整熔炼电流为270A进行熔炼，熔炼结束后在水冷铜坩埚中冷却，得到中间合金，将中间合金翻面后按照上述熔炼工艺反复熔炼8次使得合金组织均匀，反复熔炼结束后水冷铜坩埚中冷却30min，开炉取出得到六元高熵合金纽扣锭。
经观测，本实施例的六元高熵合金纽扣锭表面光亮，无肉眼可见缺陷。分别采用XRD、SEM对六元高熵合金纽扣锭的相构成和微观组织形态进行检测，结果如图3和图4所示；利用万能试验机对六元高熵合金纽扣锭进行室温压缩性能测试，结果显示：六元高熵合金纽扣锭的压缩屈服强度为839.53MPa，抗压强度为2689.52MPa，压缩应变为39.2％。
图3为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的XRD图，从图3可以看出，该六元高熵合金纽扣锭由BCC和FCC相构成，其中，BCC相为具有B2结构的BCC2相。
图4为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的SEM图，从图4可以看出，该六元高熵合金纽扣锭具有胞状微观组织。
实施例3
本实施例的六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为Al0.5Co1Cr1Fe2Ni1Ti0.5。
本实施例的六元高熵合金的制备过程为：按照六元高熵合金Al0.5Co1Cr1Fe2Ni1Ti0.5中各元素的原子摩尔比，采用质量纯度大于99.99％的高纯原材料进行配料得到混合料，然后将200g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并关闭炉门对电弧熔炼炉抽真空至1×10-3Pa以下；通电引弧控制引弧电流为75A，并调整熔炼电流为250A进行熔炼，熔炼结束后在水冷铜坩埚中冷却，得到中间合金，将中间合金翻面后按照上述熔炼工艺反复熔炼8次使得合金组织均匀，反复熔炼结束后水冷铜坩埚中冷却30min，开炉取出得到六元高熵合金纽扣锭。
经观测，本实施例的六元高熵合金纽扣锭表面光亮，无肉眼可见缺陷。分别采用XRD、SEM对六元高熵合金纽扣锭的相构成和微观组织形态进行检测，结果如图6和图7所示；利用万能试验机对六元高熵合金纽扣锭进行室温压缩性能测试，结果显示：六元高熵合金纽扣锭的压缩屈服强度为931.09MPa，抗压强度为2562.98MPa，压缩应变为42.3％。
图5为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的XRD图，从图5可以看出，该六元高熵合金纽扣锭由BCC和FCC相构成，其中，BCC相包括具有A2结构的BCC1相和具有B2结构的BCC2相。
图6为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的SEM图，从图6可以看出，该六元高熵合金纽扣锭具有枝晶状微观组织。
实施例4
本实施例的六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为Al0.3Co2Cr1Fe1Ni2Ti0.3。
本实施例的六元高熵合金的制备过程为：按照六元高熵合金Al0.3Co2Cr1Fe1Ni2Ti0.3中各元素的原子摩尔比，采用质量纯度大于99.99％的高纯原材料进行配料得到混合料，然后将200g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，并关闭炉门对电弧熔炼炉抽真空至1×10-3Pa以下；通电引弧控制引弧电流为70A，并调整熔炼电流为270A进行熔炼，熔炼结束后在水冷铜坩埚中冷却，得到中间合金，将中间合金翻面后按照上述熔炼工艺反复熔炼8次使得合金组织均匀，反复熔炼结束后水冷铜坩埚中冷却30min，开炉取出得到六元高熵合金纽扣锭。
经观测，本实施例的六元高熵合金纽扣锭表面光亮，无肉眼可见缺陷。分别采用XRD、SEM对六元高熵合金纽扣锭的相构成和微观组织形态进行检测，结果如图3和图4所示；利用万能试验机对六元高熵合金纽扣锭进行室温压缩性能测试，结果显示：六元高熵合金纽扣锭的压缩屈服强度为719.83MPa，抗压强度为1989.12MPa，压缩应变为61.2％。
图7为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的XRD图，从图7可以看出，该六元高熵合金纽扣锭由BCC和FCC相构成，其中，BCC相为具有B2结构的BCC2相。
图8为本实施例的六元高熵合金纽扣锭的SEM图，从图8可以看出，该六元高熵合金纽扣锭具有胞状微观组织。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种高性能六元高熵合金，其特征在于，该六元高熵合金中包含Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti六种元素，化学式为AlaCobCrcFedNieTif，且各元素的原子摩尔比a:b:c:d:e:f=0.5:1:1:1.5:1:0.5、a:b:c:d:e:f=0.5:1:1:2:1:0.5、a:b:c:d:e:f=0.5:1:1:1:1.5:0.5或a:b:c:d:e:f=0.3:2:1:1:2:0.3；所述六元高熵合金由BCC和FCC相构成，其中，BCC相包括具有A2结构的BCC1相和具有B2结构的BCC2相；所述六元高熵合金的压缩屈服强度大于800MPa，抗压强度大于2000MPa，压缩应变大于30%。
2.根据权利要求1所述的一种高性能六元高熵合金，其特征在于，所述各元素的原子摩尔比a:b:c:d:e:f=0.5:1:1:2:1:0.5。
3.根据权利要求1所述的一种高性能六元高熵合金，其特征在于，所述六元高熵合金具有胞状或者枝晶状微观组织，其中，胞状微观组织中的FCC相和BCC相成片层状交错排列，枝晶状微观组织以FCC为枝晶相，BCC为枝晶间相。
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