CN115786793A - 一种力学性能优异的轻质中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，且公开了力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法，采用低温浇铸工艺来制备合金，先将合金加热熔融5次，然后根据需要调控浇铸铜模的温度，最后将合金浇铸至铜模中，制备工艺简单，可重复性高，且浇铸温度可以调控，所以制备的样品微结构和性能可以根据需要灵活调控。亦可将此方法中的某些制备方法推广到其它合金的制备，让合金在更低的过冷温度下浇铸，使得材料获得更大的过冷度，可以使合金晶粒细化，相含量以及形态发生改变，甚至获得有利于力学性能的亚稳相组织，所得材料力学性能更加优异，在汽车以及航空航天等领域具有巨大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体为一种力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法。
背景技术
铝(Al)合金(密度约2.7g cm-3)是近年来受到热点关注的轻质材料，是汽车和航空航天应用中应用最广泛的工程材料之一，因其优越的比强度、良好的耐腐蚀/抗氧化性和成本效益。尽管铝合金也存在一些局限性，如强度较低，抗拉强度较低，塑性较低，而塑性或强度差的合金不适合用于工业应用。事实上，通过设计由软相和硬相交替组成的非均质材料，可以实现高强度和良好延性的结合。基于这点我们制备出了这种密度较低的B2相和L12相组成的双相中熵合金FeNi2Al，而由于硬质的B2相是基体相所以该合金的强度较高但是塑性依然不高。
众所周知，材料的微结构是影响其力学性能的根本原因，因此人们提出了多种方法来改变材料的微结构进而改善合金力学性能，如热处理、添加合金元素、热机械处理和控制凝固过程等等。而在控制凝固过程的各种方式中，过冷法即非平衡凝固是获得晶粒细化组织，亚稳相，甚至对性能有利的有趣组织的有效途径。浇铸是一种比较常用的金属材料过冷工艺，我们通过降低浇铸铜模的温度以达到更大的过冷度使得材料达到了高强度与高塑性的完美结合。低温浇铸以后的FeNi2Al合金韧性较好的L12相含量变多且两相之间形成了亚稳相，这都导致合金的塑性大幅增加。而由于过冷度增大导致晶粒细化以及形成了网状L12相让合金的强度始终保持在较高的水平。这种低温浇铸工艺为优化材料力学性能提供了新的思路，对轻质结构材料的设计制备具有重要意义，为此我们提出了一种力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法，解决了上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种力学性能优异的轻质中熵合金，包括Fe、Ni、Al，Fe、Ni、Al单质颗粒原子百分比为1：2：1；
Fe、Ni、Al金属单质颗粒的纯度高于99.9％。
一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、将Fe、Ni、Al金属单质颗粒在真空电弧熔炼炉中反复熔融，制得合金锭；
S2、将冷却液倒入低温恒温槽，设置所需温度，然后启动恒温槽，使浇铸铜模降温当温度降低至预设温度以后保持30分钟；
S3、将合金锭转移至浇铸坩埚，然后加热熔融，使其浇铸到铜模中，得到极限拉伸应力可达1111.05MPa塑性可达13.2％的轻质中熵合金。
优选地，所述S1中反复熔融条件为用真空电弧熔炼炉在氩气气氛将其反复加热熔融5次。
优选地，所述S1中在熔炼时应开启磁搅拌。
优选地，所述S2中冷却液为纯度99％的乙醇溶液。
优选地，所述S3中要迅速加热合金锭使其在10s以内完全变成熔融态，避免堵塞浇铸口。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法，具备以下有益效果：
1、该力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法，熔炼态的FeNi2Al是通过电弧熔炼法将合金反复熔融，最后随炉慢速冷却。而本发明是先采用电弧熔炼法将合金反复熔融后制得合金块体，然后通过设置低温恒温槽的温度以降低浇铸铜模的温度，最后将合金锭再次加热，然后让熔融的合金流体流入浇铸铜模中使其快速冷却，制得了铸态的FeNi2Al轻质中熵合金。制备工艺简单，可重复性高且浇铸温度可以调控，所以制备的样品微结构和性能可以根据需要灵活调控。韧性较好的L12相含量变多且两相之间形成了亚稳相，这都导致合金的塑性大幅增加。而由于过冷度增大导致晶粒细化以及形成了网状L12相让合金的强度始终保持在较高的水平。这种低温浇铸工艺为优化材料力学性能提供了新的思路，对轻质结构材料的设计具有重要意义。
2、该力学性能优异的轻质中熵合金及其制备方法，制得的FeNi2Al中熵合金，密度只有7.00g/cm3，且力学性能优异。对于熔炼态的FeNi2Al中熵合金，其极限拉伸应力可达1182.25MPa，伸长率为5.8％。而分别在298K、294K、290K的温度下浇铸制得的FeNi2Al中熵合金，其极限拉伸应力分别为1150.34MPa、1140.54Mpa、1111.05MPa，其伸长率分别为9.6％、12.6％、13.2％。相比于熔炼态，在298K、294K、290K的过冷温度下浇铸后的合金伸长率分别提高了65.5％、117.2％、128.0％，而强度最多只降低了6％。本发明的实验结果表明，低温浇铸工艺可以让FeNi2Al中熵合金的塑性显著提高而没有大量损失其强度，这为设计和开发更多的具有多相的金属材料提供一种思路。
附图说明
图1为本发明力学性能示意图；
图2为熔炼态FeNi2Al中熵合金、298K、294K以及290K力学性能曲线图；
图3为通过电弧熔炼法所制备的熔炼态FeNi2Al中熵合金的EBSD结果以及其在室温、200℃、400℃下的应力应变曲线；
图4为通过在298K的温度下浇铸所制备的FeNi2Al中熵合金的EBSD结果以及其在室温、200℃、400℃下的应力应变曲线；
图5为通过在294K的温度下浇铸所制备的FeNi2Al中熵合金的EBSD结果以及其在室温、200℃、400℃下的应力应变曲线；
图6为通过在290K的温度下浇铸所制备的FeNi2Al中熵合金的EBSD结果以及其在室温、200℃、400℃下的应力应变曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，包括以下步骤：
实施例1
采用低温浇铸法制备FeNi2Al轻质中熵合金，具体包括以下步骤：
S1.将纯度不低于99.9％的Fe、Ni、Al金属单质颗粒按照1：2：1的原子百分比配好，然后在真空电弧熔炼炉中反复熔融5次，并在熔融过程中开启磁搅拌，制得FeNi2Al合金锭；
S2.将浓度为99％的乙醇溶液倒入低温恒温槽，设置所需温度使得浇铸铜模内壁温度为298K，然后启动恒温槽，使浇铸铜模降温当温度降低至预设温度以后保持30分钟；
S3.将合金锭转移至浇铸坩埚，然后迅速加热熔融，使其浇铸到铜模中，得到最终产物，即可得到所述轻质中熵合金。
实施例2
采用低温浇铸法制备FeNi2Al轻质中熵合金，具体包括以下步骤：
S1.将纯度不低于99.9％的Fe、Ni、Al金属单质颗粒按照1：2：1的原子百分比配好，然后在真空电弧熔炼炉中反复熔融5次，并在熔融过程中开启磁搅拌，制得FeNi2Al合金锭；
S2.将浓度为99％的乙醇溶液倒入低温恒温槽，设置所需温度使得浇铸铜模内壁温度为294K，然后启动恒温槽，使浇铸铜模降温当温度降低至预设温度以后保持30分钟；
S3.将合金锭转移至浇铸坩埚，然后迅速加热熔融，使其浇铸到铜模中，得到最终产物，即可得到所述轻质中熵合金。
实施例3
采用低温浇铸法制备FeNi2Al轻质中熵合金，具体包括以下步骤：
S1.将纯度不低于99.9％的Fe、Ni、Al金属单质颗粒按照1：2：1的原子百分比配好，然后在真空电弧熔炼炉中反复熔融5次，并在熔融过程中开启磁搅拌，制得FeNi2Al合金锭；
S2.将浓度为99％的乙醇溶液倒入低温恒温槽，设置所需温度使得浇铸铜模内壁温度为290K，然后启动恒温槽，使浇铸铜模降温当温度降低至预设温度以后保持30分钟；
S3.将合金锭转移至浇铸坩埚，然后迅速加热熔融，使其浇铸到铜模中，得到最终产物，即可得到所述轻质中熵合金。
实验结果如图2-6所示，相比于通过电弧熔炼法制得的样品，通过低温浇铸工艺制得的FeNi2Al的塑性显著增强。具体地：
由图2-6的EBSD结果可以看出，相比于电弧熔炼法制备的FeNi2Al中熵合金，通过低温浇铸法制得的合金晶粒尺寸更小且L12相含量更多。
从图2-6的应力-应变曲线来看，相比于电弧熔炼法制备的FeNi2Al中熵合金，通过在298K、294K、290K的温度下浇铸制得的合金在室温下的塑性分别提高了65.5％、117.2％、128.0％，而其强度最多只损失了6％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种力学性能优异的轻质中熵合金，其特征在于，包括Fe、Ni、Al；
Fe、Ni、Al单质颗粒原子百分比为1：2：1；
Fe、Ni、Al金属单质颗粒的纯度高于99.9％。
2.一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将Fe、Ni、Al金属单质颗粒在真空电弧熔炼炉中反复熔融，制得合金锭；
S2、将冷却液倒入低温恒温槽，设置所需温度，然后启动恒温槽，使浇铸铜模降温当温度降低至预设温度以后保持30分钟；
S3、将合金锭转移至浇铸坩埚，然后加热熔融，使其浇铸到铜模中，得到极限拉伸应力可达1111.05MPa塑性可达13.2％的轻质中熵合金。
3.根据权利要求2所述的一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，其特征在于：所述S1中反复熔融条件为用真空电弧熔炼炉在氩气气氛将其反复加热熔融5次。
4.根据权利要求2所述的一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，其特征在于：所述S1中在熔炼时应开启磁搅拌。
5.根据权利要求2所述的一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，其特征在于：所述S2中冷却液为纯度99％的乙醇溶液。
6.根据权利要求2所述的一种力学性能优异的轻质中熵合金的制备方法，其特征在于：所述S3中要迅速加热合金锭使其在10s以内完全变成熔融态。
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