CN116103540B - 一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 - Google Patents
一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116103540B CN116103540B CN202211444836.1A CN202211444836A CN116103540B CN 116103540 B CN116103540 B CN 116103540B CN 202211444836 A CN202211444836 A CN 202211444836A CN 116103540 B CN116103540 B CN 116103540B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- entropy alloy
- eutectic
- alcofeni
- phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 168
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 166
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 title claims abstract description 109
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 18
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 16
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 13
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 13
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 17
- 238000005303 weighing Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 12
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 6
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 6
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 6
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 6
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 229910000905 alloy phase Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003310 Ni-Al Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910020639 Co-Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020675 Co—Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/023—Alloys based on nickel
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金，所述共晶高熵合金采用名义成分按摩尔比计为：Al：20.2‑20.7%；Co：20%；Fe：9.3~9.8%；Ni：50%，所述的制备方法，先根据高熵合金各成分摩尔比确定Al、Co、Fe、Ni元素的质量，并进行称量；置于坩埚内进行反复熔炼后，在熔炼炉中随炉冷却至室温，得到所述AlCoFeNi共晶高熵合金。本发明设计的AlCoFeNi共晶高熵合金，具有流动性好、铸造性能优异等优点，制备方法简单有效的特点。FCC相和B2相双相片层，可分别经过有序转变和马氏体相变所产生L12颗粒析出相和L10细小片层的特殊多相结构，此结构对B2相强化效果显著，对设计新型强韧化共晶高熵合金提供了新的方案。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法。
背景技术
由于高熵合金在多种条件下都表现出优异的物理化学性能，因此近年来受到人们的广泛关注。通过进行成分和工艺设计是获得具有优异强韧性和先进高强度合金的必要途径，如今高熵合金已经从初始的等原子比单相高熵合金发展到非等原子比多相高熵合金，最受关注的就是兼具共晶合金和高熵合金共同优势的共晶高熵合金，成分设计对于共晶高熵合金显得尤为重要。
在对共晶高熵合金强化方式的研究过程中，合金的相变强化机制占有很大的比重。一般来说，软而韧的FCC相可以提高合金的拉伸塑性，而硬而脆的BCC相可以提高合金的强度，因此将FCC相和BCC相结合设计的共晶高熵合金，通过FCC和BCC相的协同作用可以有效的改善高熵合金的强度或塑性。在此基础上，单相内发生的相变可以有效的改变该相的强塑性，从而对合金的强塑性有着明显的影响。例如，Al0.5CoCrFeNi高熵合金进行时效后，在FCC基体中可以产生L12相，使合金屈服强度由355 MPa增加至834 MPa。而目前为止，人们对共晶高熵合金的设计仍在发展中，在BCC相内发生的相变鲜有人报道。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明利用伪二元设计思路及Ni-Al合金马氏体相变的相关参考信息，设计了具有特殊多相结构的四元AlCoFeNi共晶高熵合金，并对其中的特殊多相结构对AlCoFeNi共晶高熵合金力学性能的影响规律展开了研究。与现有文献中出现相似合金元素但合金成分截然不同的AlCoFeNi合金材料相比，本发明设计的合金相结构可以明显提高合金的强度。此外，本发明有助于更好的利用合金BCC内相变对共晶高熵合金性能影响的规律以达到提高共晶合金强塑性的目的，为共晶合金成分设计提供了有效的实验和理论支持。
本发明通过借鉴共晶高熵合金里面伪二元设计思路及NiAl B2相内存在的马氏体相变，成功制备出一种具有特殊多相结构的全片层组织形态的Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金。其成分范围为：其中共晶两相片层主要由FCC与BCC相组成，在BCC片层上进一步存在着大量的二次马氏体L10片层，此马氏体片层可以有效提高BCC相的强度，保证合金拥有优化的强度。
具体的，本发明第一方面提供一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金，所述共晶高熵合金采用名义成分按摩尔比计为：Al：20.2-20.7%；Co：20%；Fe：9.3~9.8%；Ni：50%，且各成分原子配比满足如下关系：Al20.2+xCo20Fe9.8-xNi50。
所述共晶高熵合金的共晶两相片层由 FCC 与 BCC 相组成，且BCC相内部析出不同厚度片层形态的马氏体 L10 相；所述共晶高熵合金的组织为共晶规则层片状组织，规则共晶层片间距在600 nm以下。
上述合金设计过程遵循如下规律：对于由Al-Co-Fe-Ni四个元素所组成的高熵合金可看成： (Co，Fe，Ni) - (Ni，Al) 伪二元合金，Co，Fe，Ni元素具有相似的原子半径、化学活性并且具有比较小的混合焓 (接近于0) ，因此形成化合物的趋势较弱，易于形成稳定固溶体相；相反，(Ni，Al) 元素具有较大的负混合焓(-22 kJ/mol) 和大的原子半径差而形成稳定相。
二元共晶相组成与多主元共晶高熵合金成分有一定的关联，因此，在选取共晶点时，在Co-Al、Fe-Al二元合金多个共晶点中选择相图中近FCC相的共晶点，且考虑了Ni-Al合金在Ni含量61 at.%~69 at. % 时会发生马氏体相变而选择了近马氏体相变的共晶点。
根据伪二元相图法、混合焓法等计算，综合得到近似共晶成分，如下式所示。
(1/3) Co80Al20 + (1/3) Ni75.5Al24.5+ (1/3) Fe32Al68 =Al20Co20Fe10Ni50。
本发明第二方面提供一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法的制备方法，包括以下步骤：一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：根据上述的高熵合金各成分摩尔比，将原料纯度≥99.999 wt.% 的金属Al、Co、Fe、Ni打磨抛光去掉表层氧化皮后，利用超声波清洗仪将所述金属清洗干净，再按照原子比为分别称取纯金属Al、Co、Fe以及Ni，确定 Al、Co、Fe、Ni 元素的质量；
S2：将S1中称量好的Al块置于熔炼炉坩埚底部后，用Co片、Fe粒、Ni粒均匀覆盖在上方，用机械泵和分子泵抽真空并充入氩气做保护性气体，重复抽气过程两次，确保去除炉腔内的氧气；
S3：对S2中的坩埚内的合金先利用电弧熔炼法熔化炉内纯Ti锭，熔化后的Ti锭将有效去除炉内残余氧气，后将熔炼炉坩埚内的合金原料熔化为合金液体，利用电磁搅拌使其充分混合后，冷却凝固得到合金铸锭，再将得到的合金铸锭反复翻转，重复熔炼5次确保铸锭成分均匀后，在坩埚内采用水冷方式在炉内自然冷却到室温，得到所述AlCoFeNi共晶高熵合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1. 本发明设计的AlCoFeNi共晶高熵合金，具有流动性好、铸造性能优异等优点，制备方法简单有效的特点。此外在设计过程中利用伪二元思路加共晶合金中发生的相变来达到设计目的，为共晶高熵合金相结构设计提供了新角度。
2. 由于B2相马氏体相变所产生的特殊多相结构在针对共晶高熵合金强韧化研究中属于先例，此结构对B2相强化效果显著，FCC相和B2相双相片层，可分别经过有序转变和马氏体相变所产生L12颗粒析出相和L10细小片层的特殊多相结构，此结构对B2相强化效果显著，对设计新型强韧化共晶高熵合金提供了新的方案。
3. 本发明的B2体心立方相内可存在马氏体相变，故可采用文献报道的多种手段如后续的热处理、轧制等工艺来改变马氏体含量、层片形貌的结构参数等，通过后续处理有望进一步改善AlCoFeNi共晶高熵合金的屈服强度和塑性，对理解高熵合金相转变及共晶高熵合金的强韧化研究有着理论借鉴作用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的XRD图谱。
图2是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的BSEM组织图片，
其中a低倍镜下 (1000) 的微观组织；b 高倍镜下 (3000) 的微观组织。
图3是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的TEM下组织及成分分布，
其中(a) TEM下明场相，其中小图分别为FCC、BCC及L10的衍射斑点，(b) a图内黄框区域的HAADF图。
图4是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图与极图，
其中(a) 共晶层片的相组成分布图；(b) 共晶层片在z轴下的反极图；(c) FCC相与BCC相的极点图，表示了二者存在K-S取向关系；(d) BCC相与L10相的极点图，表示了二者存在西山关系。
图5是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金相界面处的衍射斑点图，
其中(a) FCC相与BCC相界面处的衍射斑点图，表明两相存在K-S关系；(b) BCC相与L10相界面处的衍射斑点图，表明两相存在西山关系。
图6是本发明实例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金FCC相的TEM照片，
其中(a) 共晶层片的明场相图片，其中小图为FCC相的衍射斑点图；(b) 选中FCC相超晶格衍射斑点的暗场相。
图7是本发明实例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的压缩应力应变曲线。
图8是本发明实施例2制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的XRD图谱。
图9是本发明实施例2制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的BSEM组织图片，其中a低倍镜下 (1000) 的微观组织；b 高倍镜下 (3000) 的微观组织。
图10是本发明实施例2制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图和反极图。
图11是本发明实例2制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的压缩应力应变曲线。
图12是本发明实施例3制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的XRD图谱。
图13是本发明实施例3制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的BSEM组织图片，其中a低倍镜下 (1000) 的微观组织；b 高倍镜下 (3000) 的微观组织。
图14是本发明实施例3制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图与反极图。
图15是本发明实例3制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法；
所述的共晶高熵合金的原子比为Al：Co：Fe：Ni = 20.5：20：9.5：50，
所述的制备方法为：将纯度≥99.999% 的金属Al、Co、Fe、Ni原料表面打磨抛光去掉氧化层并用酒精进行超声波清洗，将所述高熵合金按原子比计算转换为合金的质量比，然后利用精度为1 mg的天平分别称取各元素相应质量。
将原料放入真空熔炼炉的水冷铜模坩埚中，首先放入的是Al粒，将其置于坩埚底部并用Fe、Ni粒完全覆盖，后用Co片置于原料堆的上方，防止初次熔炼时电弧直接达飞金属颗粒，放入Ti锭后关闭炉腔，利用机械泵和分子泵抽真空使真空度达到1×10-3 Pa以下后通入保护性高纯氩气至5×10-2 MPa，重复抽真空过程2次以保证炉腔内氧气被排除干净。
借助预先放置的Ti锭引弧并熔炼3分钟Ti锭以去除炉腔内残余氧气，随后利用电弧熔炼将合金原料熔化并得到合金液体，待合金全部熔化并汇聚为纽扣状后关闭电弧使合金液体凝固。将初步熔炼的合金铸锭翻转进行二次熔炼，在第三次和第四次重复翻转熔炼过程中使用磁搅拌，在最后一次翻转熔炼过程中，关闭磁搅拌并控制电弧温度缓慢冷却，以减少合金内凝固缺陷的产生。合金翻转熔炼过程需要重复五次及以上，每次熔炼时间不能少于3分钟。随水冷铜坩埚冷却后得到纽扣状AlCoFeNi共晶高熵合金。
将母合金取出测定烧损率，若烧损小于千分之五后利用电火花线切割合金铸锭并镶嵌。将镶嵌好的试样先后用400#、800#、1500#、2500#、4000# 砂纸进行打磨，并用0.1μm的OPS抛光页将样品抛光处理至在放大倍数1000倍的光镜下看不到划痕。
利用X射线衍射仪对实施例1的共晶高熵合金进行分析测试，参数选用40 kV，扫描角度为20°~100°，扫描时间为30 min， 用扫描电镜对合金微观组织进行观察分析。
利用电火花线切割仪从铸锭上切一块厚度为0.5 mm的薄片下来，在1000#的砂纸上打磨至50-70μm后，采用20%体积含量的高氯酸无水乙醇溶液在-30℃到-25℃范围内进行电解双喷，采用的电压为16-20V，时间为20s，随后进行TEM分析观察。
铸态AlCoFeNi共晶高熵合金的相结构主要为FCC相与BCC相，此外还存在较弱的马氏体特征峰（图1）。图2a为低倍镜下 (1000) 的微观组织，图2b为高倍镜下 (3000) 的微观组织。从组织图中可以看到组织全部由共晶层片组成，共晶两相分别为FCC+BCC双相，在BCC片层上许多条带状马氏体M析出。
图3是实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的TEM下组织及成分分布，其中(a)TEM下明场相，其中小图分别验证为FCC、BCC及L10的衍射斑点，(b)为a图内黄框区域的HAADF图，可知BCC和马氏体L10相无明显成分差异，符合非扩散型相变规律。
图4是本发明实施例1制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图与极图，其中共晶层片的相组成为FCC和BCC，其中BCC上分布有经由马氏体相变生成的L10相，在一个共晶层片团簇内，两相协同生长，呈现一定取向性，通过对 FCC相与BCC相的IPF图分析表明二者存在K-S取向关系，而BCC相与L10相则存在西山关系。该两类关系可由图5进一步得到认证。
图6表示在FCC相片层中存在着大量L12颗粒状有序相，在衍射斑点上结构因子不为零，显示出弱斑点。
马氏体层片存在形式与合金力学性能关系如图7所示，本发明实例1中，由于马氏体相的存在使得BCC相的强度的到了一定的提升，存在马氏体相的合金相较于没有马氏体相的合金屈服强度提高了1倍，抗压屈服强度为697 MPa，塑性应变达到了37 %。通过合理的调控马氏体相所占比例可以得到强度与塑性的匹配。
可以认为，通过本体系共晶成分的设计，首次提出同时存在FCC和BCC双相片层高熵合金，且除BCC和FCC两相协调变形提升强塑性外，还可分别从FCC转变为高温L10相实现有序强化，BCC转变为低温马氏体相实现相变强化这两个角度实现合金性能的匹配。
实施例2：
一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法；
所述的共晶高熵合金的原子比为Al：Co：Fe：Ni = 20.2：20：9.8：50，
所述的制备方法为：将纯度≥99.999% 的金属Al、Co、Fe、Ni原料表面打磨抛光去掉氧化层并用酒精进行超声波清洗，将所述高熵合金按原子比计算转换为合金的质量比，然后利用精度为1 mg的天平分别称取各元素相应质量。
将原料放入真空熔炼炉的水冷铜模坩埚中，首先放入的是Al粒，将其置于坩埚底部并用Fe、Ni粒完全覆盖，后用Co片置于原料堆的上方，防止初次熔炼时电弧直接达飞金属颗粒，放入Ti锭后关闭炉腔，利用机械泵和分子泵抽真空使真空度达到1×10-3 Pa以下后通入保护性高纯氩气至5×10-2 MPa，重复抽真空过程2次以保证炉腔内氧气被排除干净。
借助预先放置的Ti锭引弧并熔炼3分钟Ti锭以去除炉腔内残余氧气，随后利用电弧熔炼将合金原料熔化并得到合金液体，待合金全部熔化并汇聚为纽扣状后关闭电弧使合金液体凝固。将初步熔炼的合金铸锭翻转进行二次熔炼，在第三次和第四次重复翻转熔炼过程中使用磁搅拌，在最后一次翻转熔炼过程中，关闭磁搅拌并控制电弧温度缓慢冷却，以减少合金内凝固缺陷的产生。合金翻转熔炼过程需要重复五次及以上，每次熔炼时间不能少于3分钟。随水冷铜坩埚冷却后得到纽扣状AlCoFeNi共晶高熵合金。
将母合金取出测定烧损率，若烧损小于千分之五后利用电火花线切割合金铸锭并镶嵌。将镶嵌好的试样先后用400#、800#、1500#、2500#、4000# 砂纸进行打磨，并用0.1μm的OPS抛光页将样品抛光处理至在放大倍数1000倍的光镜下看不到划痕。
利用X射线衍射仪对实施例2的共晶高熵合金进行分析测试，参数选用40 kV，扫描角度为20°~100°，扫描时间为30 min， 用扫描电镜对合金微观组织进行观察分析。
利用电火花线切割仪从铸锭上切一块厚度为0.5 mm的薄片下来，在1000#的砂纸上打磨至50-70μm后，采用20%体积含量的高氯酸无水乙醇溶液在-30℃到-25℃范围内进行电解双喷，采用的电压为16-20V，时间为20s，随后进行TEM分析观察。
实施例2的相结构主要为FCC相与BCC相，此外还存在较弱的马氏体特征峰（图8）。图9a为低倍镜下 (1000) 的微观组织，图9b为高倍镜下 (3000) 的微观组织。从组织图中可以看到组织全部由共晶层片组成，共晶两相分别为FCC+BCC双相，在BCC片层上许多条带状马氏体M析出。
图10是本发明实施例2制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图，其中共晶层片的相组成为FCC和BCC，其中BCC上分布有经由马氏体相变生成的L10相，在一个共晶层片团簇内，两相协同生长，呈现一定取向性，由于本实施例与实施例1的共晶合金组成差异较小，故取向关系、衍射图谱等均近似，在次不再特殊说明。
马氏体层片存在形式与合金力学性能关系如图11所示，本发明实例1中，由于马氏体相的存在使得BCC相的强度的到了一定的提升，屈服强度为277 MPa，塑性应变提升至51.2 %。通过合理的调控马氏体相所占比例可以得到强度与塑性的匹配。
可以认为，通过本体系共晶成分的设计，首次提出同时存在FCC和BCC双相片层高熵合金，且除BCC和FCC两相协调变形提升强塑性外，还可分别从FCC转变为高温L10相实现有序强化，BCC转变为低温马氏体相实现相变强化这两个角度实现合金性能的匹配。
实施例3：
一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法；
所述的共晶高熵合金的原子比为Al：Co：Fe：Ni = 20.7：20：9.3：50，
所述的制备方法为：将纯度≥99.999% 的金属Al、Co、Fe、Ni原料表面打磨抛光去掉氧化层并用酒精进行超声波清洗，将所述高熵合金按原子比计算转换为合金的质量比，然后利用精度为1 mg的天平分别称取各元素相应质量。
将原料放入真空熔炼炉的水冷铜模坩埚中，首先放入的是Al粒，将其置于坩埚底部并用Fe、Ni粒完全覆盖，后用Co片置于原料堆的上方，防止初次熔炼时电弧直接达飞金属颗粒，放入Ti锭后关闭炉腔，利用机械泵和分子泵抽真空使真空度达到1×10-3 Pa以下后通入保护性高纯氩气至5×10-2 MPa，重复抽真空过程2次以保证炉腔内氧气被排除干净。
借助预先放置的Ti锭引弧并熔炼3分钟Ti锭以去除炉腔内残余氧气，随后利用电弧熔炼将合金原料熔化并得到合金液体，待合金全部熔化并汇聚为纽扣状后关闭电弧使合金液体凝固。将初步熔炼的合金铸锭翻转进行二次熔炼，在第三次和第四次重复翻转熔炼过程中使用磁搅拌，在最后一次翻转熔炼过程中，关闭磁搅拌并控制电弧温度缓慢冷却，以减少合金内凝固缺陷的产生。合金翻转熔炼过程需要重复五次及以上，每次熔炼时间不能少于3分钟。随水冷铜坩埚冷却后得到纽扣状AlCoFeNi共晶高熵合金。
将母合金取出测定烧损率，若烧损小于千分之五后利用电火花线切割合金铸锭并镶嵌。将镶嵌好的试样先后用400#、800#、1500#、2500#、4000# 砂纸进行打磨，并用0.1μm的OPS抛光页将样品抛光处理至在放大倍数1000倍的光镜下看不到划痕。
利用X射线衍射仪对实施例1的共晶高熵合金进行分析测试，参数选用40 kV，扫描角度为20°~100°，扫描时间为30 min， 用扫描电镜对合金微观组织进行观察分析。
利用电火花线切割仪从铸锭上切一块厚度为0.5 mm的薄片下来，在1000#的砂纸上打磨至50-70μm后，采用20%体积含量的高氯酸无水乙醇溶液在-30℃到-25℃范围内进行电解双喷，采用的电压为16-20V，时间为20s，随后进行TEM分析观察。
实施例3的相结构主要为FCC相与BCC相，此外还存在较弱的马氏体特征峰（图12）。图13a为低倍镜下 (1000) 的微观组织，图13b为高倍镜下 (3000) 的微观组织。从组织图中可以看到组织全部由共晶层片组成，共晶两相分别为FCC+BCC双相，在BCC片层上许多条带状马氏体M析出。
图14是本发明实施例3制备的AlCoFeNi共晶高熵合金的EBSD相图，其中共晶层片的相组成为FCC和BCC，其中BCC上分布有经由马氏体相变生成的L10相，在一个共晶层片团簇内，两相协同生长，呈现一定取向性，由于本实施例与实施例1的共晶合金组成差异较小，故取向关系、衍射图谱等均近似，在次不再特殊说明。
马氏体层片存在形式与合金力学性能关系如图15所示，本发明实例3中，由于马氏体相的存在使得BCC相的强度的到了一定的提升，屈服强度为513 MPa，塑性应变提升至55.2 %。通过合理的调控马氏体相所占比例可以得到强度与塑性的匹配。
可以认为，通过本体系共晶成分的设计，首次提出同时存在FCC和BCC双相片层高熵合金，且除BCC和FCC两相协调变形提升强塑性外，还可分别从FCC转变为高温L10相实现有序强化，BCC转变为低温马氏体相实现相变强化这两个角度实现合金性能的匹配。通过微调合金成分，结合常规熔炼工艺，可获得277MPa-697MPa大范围内的屈服强度和37%-55.2%的塑性应变，为工业上选择高强高变形塑性的共晶高熵合金提供更多选择。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金，其特征在于，所述共晶高熵合金采用名义成分按摩尔比计为：Al：20.2-20.7%；Co：20%；Fe：9.3~9.8%；Ni：50%，且各成分原子配比满足如下关系：Al20.2+xCo20Fe9.8-xNi50；所述共晶高熵合金的共晶两相片层由 FCC 与BCC 相组成，且BCC相内部析出不同厚度片层形态的马氏体 L10 相；所述共晶高熵合金的组织为共晶规则层片状组织，规则共晶层片间距在600 nm以下。
2.根据权利要求1所述的具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金，其特征在于，所述共晶高熵合金为Al20.2Co20Fe9.8Ni50。
3.一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据权利要求1所述的高熵合金各成分摩尔比，确定 Al、Co、Fe、Ni 元素的
质量，并进行称量；
S2：将S1中称量好的Al块置于坩埚底部，用Co片、Fe粒以及Ni粒均匀覆盖在上方，并去除熔炼炉内部氧气；
S3：对S2中的坩埚内的合金进行反复熔炼后，在熔炼炉中随炉冷却至室温，得到所述AlCoFeNi共晶高熵合金。
4.根据权利要求3所述的具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，在S1中，将原料纯度≥99.999 wt.% 的金属Al、Co、Fe、Ni打磨抛光去掉表层氧化皮后，利用超声波清洗仪将所述金属清洗干净，再按照原子比为分别称取纯金属Al、Co、Fe以及Ni。
5.根据权利要求3所述的具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，在S2中，将Al块置于熔炼炉坩埚底部后，用Co片、Fe粒、Ni粒均匀覆盖在上方，用机械泵和分子泵抽真空并充入氩气做保护性气体，重复抽气过程两次，确保去除炉腔内的氧气。
6.根据权利要求3所述的具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，在S3中先利用电弧熔炼法熔化炉内纯Ti锭，熔化后的Ti锭将有效去除炉内残余氧气，后将熔炼炉坩埚内的合金原料熔化为合金液体，利用电磁搅拌使其充分混合后，冷却凝固得到合金铸锭。
7.根据权利要求4所述的具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金的制备方法，其特征在于，将得到的合金铸锭反复翻转，重复熔炼5次确保铸锭成分均匀后，在坩埚内采用水冷方式在炉内自然冷却到室温，得到所述AlCoFeNi共晶高熵合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444836.1A CN116103540B (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444836.1A CN116103540B (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116103540A CN116103540A (zh) | 2023-05-12 |
| CN116103540B true CN116103540B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=86255102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211444836.1A Active CN116103540B (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116103540B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110499445A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-11-26 | 北京理工大学 | 一种共晶高熵合金及其制备方法 |
| CN115233076A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-10-25 | 西北工业大学 | 一种CoNiAl磁控记忆型共晶中熵合金及其制备方法 |
| CN115233042A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-10-25 | 广东工业大学 | 一种耐高温氧化的钴基Co-Fe-Ni-Al共晶中熵合金及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109072347A (zh) * | 2016-04-20 | 2018-12-21 | 奥科宁克有限公司 | 铝、钴、铁和镍的fcc材料及由其制成的产物 |
| WO2018097901A2 (en) * | 2016-09-30 | 2018-05-31 | Arconic Inc. | Nickel-iron-aluminum-chromium based alloys, and products made therefrom |
| US20200109467A1 (en) * | 2018-10-04 | 2020-04-09 | City University Of Hong Kong | High entropy alloy structure and a method of preparing the same |
-
2022
- 2022-11-18 CN CN202211444836.1A patent/CN116103540B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110499445A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-11-26 | 北京理工大学 | 一种共晶高熵合金及其制备方法 |
| CN115233042A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-10-25 | 广东工业大学 | 一种耐高温氧化的钴基Co-Fe-Ni-Al共晶中熵合金及其制备方法和应用 |
| CN115233076A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-10-25 | 西北工业大学 | 一种CoNiAl磁控记忆型共晶中熵合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Design of Eutectic High Entropy Alloys;Ali Shafiei;Metallurgical and Materials Transactions A;20221004;第53A卷;4349-4361 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116103540A (zh) | 2023-05-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112725678B (zh) | 一种含NiCoCr的非等原子比中/高熵合金及其制备方法 | |
| CN107739956B (zh) | 一种Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金 | |
| CN108359877B (zh) | 一种高塑性AlCoCuFeNi1.5高熵合金及其制备方法 | |
| CN109594002B (zh) | 一种多主元中熵合金及其制备方法 | |
| CN111647789B (zh) | 基于合金化法细化铬铁钴镍基高熵合金晶粒及制备方法 | |
| CN109023002B (zh) | 一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法 | |
| CN111850375B (zh) | 一种纳米析出强化型高强高塑性多元合金及其制备方法 | |
| CN115198162B (zh) | 高强韧异质多相“核壳”组织结构中熵合金及其制备方法 | |
| CN108517452A (zh) | 一种兼具高强度和软磁性能AlCoCuFeNix高熵合金及其制备方法 | |
| CN112251659B (zh) | 一种AlCrFe2Ni2C0.24高熵合金及其制备方法 | |
| CN115233076B (zh) | 一种CoNiAl磁控记忆型共晶中熵合金及其制备方法 | |
| CN116103540B (zh) | 一种具有特殊多相结构的AlCoFeNi共晶高熵合金及其制备方法 | |
| CN113151764A (zh) | 一种提高AlxCoCrFeNi高熵合金高温服役性能的方法 | |
| CN115821141B (zh) | 一种Laves相析出修饰AlCoCrFeNi双相高熵合金及其制备方法 | |
| CN115679178A (zh) | 一种低密度超高硬度Al-Cr-Zr-Ni高熵合金及其制备方法 | |
| Naumova et al. | Investigation of the structure and properties of eutectic alloys of the Al–Ca–Ni system containing REM | |
| CN114250397B (zh) | 一种共晶高熵合金及其制备方法 | |
| CN115595490A (zh) | 一种双峰共晶高熵合金及其制备方法 | |
| CN115404385A (zh) | 一种有优异室温拉伸延展性的难熔高熵合金及其制备方法 | |
| CN104878268B (zh) | 一种具有塑性的多主元Laves基金属间化合物及其制备方法 | |
| CN113403518A (zh) | 一种含有共晶组织的FeCoNiBx多主元合金及制备方法 | |
| CN111254316A (zh) | (MoNbZrTi)高熵合金增强Ni基合金及其制备方法 | |
| CN115418543B (zh) | 具有高强韧性的共晶多主元合金及其制备方法 | |
| CN116516230B (zh) | 含有共晶组织的NiCoMnSn哈斯勒合金及其设计与制备方法 | |
| CN115821145B (zh) | 一种高强度高塑性多相高熵合金材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |