CN116288032B - 一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于新型合金材料设计及制备技术领域，具体涉及一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金及其制备方法和应用。该多组分合金的化学成分及对应的含量是：Al：2.10～2.24wt％，Cr：20.70～20.86wt％，Ni：35.20～35.54wt％，Ti：19.10～19.46wt％，Nb：0.70～0.85wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且化学成分需同时满足以下三个关系式：(1)24.76≤Fe/Nb≤31.72；(2)6.81≤Fe/(Nb+Al)≤7.93；(3)1.04≤Fe/(Nb+Ti)≤1.13。其具有均匀分布的组织结构、高硬度和耐磨性能，与传统耐磨材料NM500相比，在同等硬度下其耐磨性提高了4～5倍。在经历相同参数的两步回火热处理之后，NM500硬度相较其调质态降低58.64～68.93％，本发明材料硬度相较其铸态降低(31.75～37.74)％，表现出更加优异的高温稳定性。

Description

一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金及其制备 方法和应用
技术领域
本发明属于新型合金材料设计及制备技术领域，具体涉及一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金及其制备方法和应用。
背景技术
多主元多组分合金材料是2004年由叶均蔚教授首次提出的一类以五种或五种以上金属元素，各元素成分等摩尔比或接近等摩尔比的新型合金材料，打破传统合金以一种元素为主元的设计理念，具有优异的性能和空前的应用前景，成为近期材料领域的研究热点。在多组分合金特殊的四大效应作用下，多组分合金具有突出的学术研究价值和工业发展潜力，为耐磨材料领域提供了新的思路。
“一种AlCoCrFeNi系列双相组织多组分合金制备方法”(CN113025865A)专利技术，其所述多组分合金铸锭及各元素质量百分比：Co：20.91％～22.31wt％，Cr：18.45％～19.68wt％，Fe：19.82％～21.14wt％，Ni：26.66％～31.24wt％，余量为Al，且各组分原子百分比总和为100％。采用真空电弧熔炼的方法制备成多组分合金铸锭并加工成铸棒。多组分合金铸棒屈服强度为960MPa，断裂强度为1270MPa，延伸率为1.3％。该技术虽然对多组分合金强韧性具有较明显提高，但其延伸率显著低于一般多组分合金，硬度和耐磨性均具有较大提升空间。
“一种超硬耐磨多组分合金及其制备方法”(CN112831710A)专利技术，其所述多组分合金铸锭及各元素质量百分比：基础组元为Ta,Nb,W,Mo，强化组元为Fe,Co,Cr，以基础组元搭配一种或两种强化组元的方式进行等摩尔比配料。采用真空电弧熔炼的方法制备成多组分合金铸锭。多组分合金铸锭硬度为1000～1200HV，耐磨性相对传统钢材提高了4～5倍。该技术虽然对多组分合金的硬度和耐磨性具有显著提高，但所用金属元素价格较高，不适宜投入大批量工业化生产。
现有对AlCrFeNiTi系多组分合金耐磨性能的研究(Ming-Hao Chuang,Ming-HungTsai,Woei-Ren Wang,Su-Jien Lin,Jien-Wei Yeh,Microstructure and wear behaviorof AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy high-entropy alloys,Acta Materialia,Volume 59,Issue16,2011,Pages 6308-6317,ISSN 1359-6454,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.06.041.)通过改变Al和Ti元素摩尔比提高合金耐磨性能，四组多组分合金硬度为450～720HV，相较同等硬度轴承钢和高速钢耐磨性能提高2～4倍，对于多组分合金硬度和耐磨性能的提高具有一定的局限性。
现有合金种类繁多可以满足实际生产需要，但过高温度的服役条件对合金具有十分不利的影响。例如温度达到600℃时，大多数钢材的屈服强度会相较铸态降低，同时对其塑韧性具有不利影响，因而影响最终合金的硬度和耐磨性能。本发明提供的微量Nb元素的高耐磨性块体高熵合金在具有高硬度的特点下，同时具有高温条件下的稳定性，在高温服役条件下，其硬度未发生较NM500类似的大幅明显变化。另外在实际发生磨损的场合中，本发明合金体系中的Nb元素对合金表面形成的氧化膜具有保护作用，起到了保护合金基体进一步被氧化、磨损的作用，使其在热环境下具有保持高硬度及耐磨性能的优势。
实现高温强度的主要方式有以下几种：(1)采用Mo、Nb、V等进行微合金化来提高抗高温性能；(2)采用昂贵的Ni、Cr、Mo进行合金化来提高抗高温性能；(3)通过高温性能稳定的奥氏体、铁素体的组织控制方式提高抗高温性能。上述方法合金成本高、制造工艺或者组织控制方法复杂，增加制造成本。
本发明通过合理控制各种高熵合金元素配比及Nb元素含量，获得了高硬度、高耐磨性、抗高温性能优异的多组分合金材料，成本低廉、工艺简单、表现出更加优异的高温稳定性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分高熵合金及其制备方法和应用。
本发明所提供的技术方案如下：
一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金，其化学成分及对应的质量百分含量是：Al：2.10～2.24wt％，Cr：20.70～20.86wt％，Ni：35.20～35.54wt％，Ti：19.10～19.46wt％，Nb：0.70～0.85wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且化学成分需同时满足以下三个关系式：(1)24.76≤Fe/Nb≤31.72；(2)6.81≤Fe/(Nb+Al)≤7.93；(3)1.04≤Fe/(Nb+Ti)≤1.13，均为质量百分含量之比。
上述技术方案所提供的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金具有均匀分布的组织结构、高硬度和耐磨性能，与传统耐磨材料NM500相比，在同等硬度下其耐磨性提高了4～5倍。
本发明还提供了上述Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，包括以下步骤：按所述Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的化学成分及含量配料，采用真空电弧炉炼炉进行熔炼，用铜模工艺浇注铸坯，直接使用铸造成型的材料，即得Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金。
具体的，以纯度为99.99％的铝、铬、铁、镍、钛和铌单质颗粒为原料，通过砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，依次在水和酒精中超声清洗，50～80℃温度下干燥0.5～2h后备用。
具体的，按照各元素用量称取预处理的金属小颗粒，进行原料配置；将配好的原料按高熔点元素在下，低熔点元素在上的排列方式进行放置并熔炼。
具体的，金属熔炼时，熔炼参数设置值:真空度为1.5～2.5×10-3Pa，充入惰性气体至-0.04～-0.06Mpa；熔炼时熔炼电流为250A～700A。
具体的，采用真空电弧炉熔炼铜模浇注的工艺进行反复熔炼，熔炼次数为1～3。
本发明还提供了上述Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的应用，用于制备高耐磨性刀具或模具。
本发明还提供了上述Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的另一种应用，用于制备机械产品再制造所用材料。
性能测试中，对所制得的铸态多组分合金试样进行以下回火处理：
1)将本发明试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置500～700℃，保温8～10h，置于室温下空冷；
2)重新将经过第一次加热并冷却后的试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置900～1100℃，保温8～10h，置于室温下空冷；
3)测量回火后合金硬度，并与NM500进行比较。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1)本发明制备的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金硬度值达到800HV，相对于不添加Nb元素的多组分合金体系的硬度值600HV具有明显的提高作用。
2)本发明制备的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金具有更优异的耐磨性能，相对于不添加Nb元素的多组分合金体系的耐磨性能提高3～4倍。
3)制备合金的过程中采用分组电弧熔炼，防止挥发耗损，制备的合金成分烧损小，制备的合金成分与配置成分基本一致。
4)Al、Cr、Fe、Ni、Ti五种元素具有相近的原子半径，加入Nb元素构成的六元体系具有更高的混合熵值，降低了体系吉布斯自由能，促进固溶体相的形成，抑制化合物相的形成，提高了多组分合金的稳定性。
5)Nb原子的原子半径是其他原子平均原子半径的115％，加入微量的Nb元素可以在不影响合金稳定性的条件下使合金内部形成大的晶格畸变，阻止位错滑移，显著提高合金固溶强化效果，制造出硬度更大、更耐磨的多组分合金材料。
6)本发明所采用的金属元素均属于较低价格金属，有助于实现工业化大批生产。
7)元素本身特性对合金性能的提升具有积极效果：
Ti:钛是一种高熔点元素，在于合金结合地过程中由于其位于元素周期表中间过渡区域，因此易于与合金形成间隙固溶体结构，在固溶强化的作用下，可以一定程度上改善合金综合力学性能。另外，钛具有细化合金晶粒组织的作用，形成的细小、致密组织结构对提高合金的强度及韧性均具有积极效果。在磨损过程中，钛元素易于氧化形成氧化膜，在摩擦过程中起到了润滑保护的作用，从而达到了降低合金磨损率的效果。
Cr:铬是常见合金体系中抗高温氧化的主要元素，由于其本身的高熔点特性使其在磨损发热过程中生成Cr2O3或含铬尖晶石结构，并构成致密连续的氧化层，阻断气体与合金基体的进一步接触，提高材料的抗高温氧化性能。此外，铬是较强的碳化物形成元素，可以形成大量的Cr23C6等碳化物，有效的提高合金的耐磨性能。较高的铬含量可以增强合金的淬透性，使合金在极端工况下如：急冷急热的环境中不易开裂，延长使用寿命。过高的铬含量增加生产成本，故本发明的铬含量为20.70～20.86wt％，保证了所制备的多组分合金在冷热交替的工作环境中具有良好的实用性，包括优异的抗高温氧化性以及良好的耐磨性。
Ni:镍是一种硬而有延展性并具有铁磁性的金属，它能够高度磨光和抗腐蚀。镍属于亲铁元素，在合金体系中易于与铁元素结合，提高合金硬度。镍不溶于水，常温下在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，能阻止本体金属继续氧化，同时提高合金表面耐磨性能。
Al:铝元素本身具有FCC结构，但同时是多组分合金体系内促进BCC相形成的元素，加入适量铝元素使得合金体系BCC相结构占比更多，提高合金整体强度、硬度和耐磨性。铝元素对双相多组分合金的性能有明显的调控作用，促进合金内部形成性能优于单向结构的双向结构组织。铝属于轻金属元素，原子半径为0.143nm，添加铝可使原来的晶格结构发生畸变，降低体系的自由能，起固溶强化作用。同时，铝还能使合金表面生成致密的氧化膜，提高合金的抗高温氧化性能和耐磨性能。
Nb:铌元素不仅在传统合金中起到细化晶粒或沉淀强化等作用，而且在多组分合金中也有着重要作用。Nb具有比Co、Cr和Ni更好的氧化性，且共晶组织减小了局部塑性变形的不均匀性，延缓了磨损表面裂纹的萌生，从而提高合金了合金的耐磨性。铌元素通常能提高合金表面氧化膜的化学稳定性。因此，在合金中，铌凭借较高的熔点、较负的混合焓和较大的原子半径等特点可以改变合金的微观结构；也因此铌加入增大了合金的晶格畸变或在基体中析出第二相，使固溶强化和沉淀硬化效应明显，从而改善了合金性能。
综上所述，本发明通过合理控制各种元素配比及Nb元素含量，获得了硬度和耐磨性能优异的多组分合金铸锭。本发明制备的含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金适用于往复机械运动的零件及切削加工的刀具等场合。其具有均匀分布的组织结构、高硬度和耐磨性能，与传统耐磨材料NM500相比，在同等硬度下其耐磨性提高了4～5倍。在经历相同参数的两步回火热处理之后，NM500硬度相较其铸态降低58.64～68.93％，本发明硬度相较其铸态降低33.09～37.76％，表现出更加优异的高温稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备得到的含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的1000倍SEM图。
图2是本发明实施例2所制备得到的含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的1000倍SEM图。
图3是本发明实施例3所制备得到的含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的1000倍SEM图。
图4是本发明对比例1所制备得到的多组分合金的1000倍SEM图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的制备
本实施例所述制备方法是：
以纯度为99.99％的铝、铬、铁、镍、钛和铌单质颗粒为原料，先用砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，并于水和酒精中超声清洗，随后于80℃干燥2h备用。按以下质量百分比进行配料：2.10wt％Al，20.70wt％Cr，35.20wt％Ni，19.10wt％Ti，0.70wt％Nb，22.2wt％Fe。使用真空电弧熔炼炉进行高温熔炼，首先将单质颗粒混合放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，先抽真空，当真空度达到2.0×10-3Pa后充入惰性气体至-0.05MPa进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为350A，熔炼结束后,经快速水冷后进行翻锭，反复熔炼3次后得到超硬耐磨多组分合金铸锭。熔炼结束以后，于水冷铜坩埚中冷却获得多组分合金材料铸锭。
将制得试样进行(采用HV-1000维氏硬度计进行显微硬度测试)显微硬度测试实验，本发明实例1样品硬度可达813HV1。
将制得试样进行滑动摩擦磨损实验(Bruker,UMT3,USA磨损试验样机)，对磨材料选择不锈钢材料，载荷30N，工况温度室温，磨损时间30min，合金磨损方式旋转或往复直线运动均可，旋转速度为200r/min，往复运动速度为0.1m/s。得到本发明多组分合金材料耐磨性指标(磨损质量)，与传统耐磨钢NM500相比提高了2.3倍，与未添加Nb元素相比提高了4倍。
对所制得的多组分合金进行回火处理：1)将本发明试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置500℃，保温8h,置于室温下空冷；2)重新将经过第一次加热并冷却后的试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置900℃，保温8h,置于室温下空冷；3)测量回火后的实施例1多组分合金硬度为506.14HV1，同等条件回火后NM500硬度为219.23HV1。
根据回火试验结果，本实施例所制得的多组分合金硬度降低37.74％，NM500降低58.64％，多组分合金的硬度降低比例低于NM500近20％。
实施例2
含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的制备
本实施例所述制备方法是：
以纯度为99.99％的铝、铬、铁、镍、钛和铌单质颗粒为原料，先用砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，并于水和酒精中超声清洗，随后于80℃干燥2h备用。按以下质量百分比进行配料：2.24wt％Al，20.86wt％Cr，35.54wt％Ni，19.46wt％Ti，0.85wt％Nb，21.05wt％Fe。使用真空电弧熔炼炉进行高温熔炼，首先将单质颗粒混合放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，先抽真空，当真空度达到2.0×10-3Pa后充入惰性气体至-0.05MPa进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为350A，熔炼结束后,经快速水冷后进行翻锭，反复熔炼3次后得到超硬耐磨多组分合金铸锭。熔炼结束以后，于水冷铜坩埚中冷却获得多组分合金材料铸锭。
将制得试样进行(采用HV-1000维氏硬度计进行显微硬度测试)显微硬度测试实验，本发明实例1样品硬度可达826HV1。
将制得试样进行滑动摩擦磨损实验(Bruker,UMT3,USA磨损试验样机)，对磨材料选择不锈钢材料，载荷30N，工况温度室温，磨损时间30min，合金磨损方式旋转或往复直线运动均可，旋转速度为200r/min，往复运动速度为0.1m/s。得到本发明多组分合金材料耐磨性指标(磨损质量)，与传统耐磨钢NM500相比提高了2.5倍，与未添加Nb元素相比提高了4.4倍。
对所制得的多组分合金进行回火处理：1)将本发明试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置600℃，保温9h,置于室温下空冷；2)重新将经过第一次加热并冷却后的试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置1000℃，保温9h,置于室温下空冷；3)测量回火后的实施例2多组分合金硬度为563.71HV1，同等条件回火后NM500硬度为201.29HV1。
根据回火试验结果，本实施例所制得的多组分合金硬度降低31.75％，NM500降低62.02％，多组分合金的硬度降低比例低于NM500近30％。
实施例3
含微量Nb元素的高耐磨性块体多组分合金的制备
本实施例所述制备方法是：
以纯度为99.99％的铝、铬、铁、镍、钛和铌单质颗粒为原料，先用砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，并于水和酒精中超声清洗，随后于80℃干燥2h备用。按以下质量百分比进行配料：2.17wt％Al，20.78wt％Cr，35.37wt％Ni，19.28wt％Ti，0.77wt％Nb，21.63wt％Fe。
使用真空电弧熔炼炉进行高温熔炼，首先将单质颗粒混合放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，先抽真空，当真空度达到2.0×10-3Pa后充入惰性气体至-0.05MPa进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为350A，熔炼结束后,经快速水冷后进行翻锭，反复熔炼3次后得到超硬耐磨多组分合金铸锭。熔炼结束以后，于水冷铜坩埚中冷却获得多组分合金材料铸锭。
将制得试样进行(采用HV-1000维氏硬度计进行显微硬度测试)显微硬度测试实验，本发明实例1样品硬度可达820HV1。
将制得试样进行滑动摩擦磨损实验(Bruker,UMT3,USA磨损试验样机)，对磨材料选择不锈钢材料，载荷30N，工况温度室温，磨损时间30min，合金磨损方式旋转或往复直线运动均可，旋转速度为200r/min，往复运动速度为0.1m/s。得到本发明多组分合金材料耐磨性指标(磨损质量)，与传统耐磨钢NM500相比提高了2.4倍，与未添加Nb元素相比提高了4.2倍。
对所制得的多组分合金进行回火处理：1)将本发明试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置700℃，保温10h,置于室温下空冷；2)重新将经过第一次加热并冷却后的试样及对比样品NM500置于QRX1700型箱式气氛炉中，加热置1100℃，保温10h,置于室温下空冷；3)测量回火后的实施例3多组分合金硬度为557.56HV1，同等条件回火后NM500硬度为164.65HV1。
根据回火试验结果，本实施例所制得的多组分合金硬度降低32.01％，NM500降低68.93％，多组分合金的硬度降低比例低于NM500近35％。
对比例
不含Nb元素的多组分合金的制备
制备方法及测试方法同实施例1～实施例3，不同之处仅仅在于各组分元素质量百分比为：2.17wt％Al，20.78wt％Cr，35.37wt％Ni，19.28wt％Ti，0wt％Nb，22.40wt％Fe。对比例样品硬度可达759HV1，并按照同上述实施例相同的方向检测各项性能。
通过比较图1到图4可以看出，图1枝晶组织减少，枝晶间组织增多，同时晶粒尺寸明显缩小，具有提高合金硬度和耐磨性能的效果。
通过比较硬度值、磨损量及回火后合金硬度可以看出，NM500经历高温回火后硬度降低幅度高于Nb元素微合金化多组分合金20～30％，本发明多组分合金表现出更加优异的高温稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金，其特征在于，其化学成分及对应的含量是：Al：2.10～2.24wt％，Cr：20.70～20.86wt％，Ni：35.20～35.54wt％，Ti：19.10～19.46wt％，Nb：0.70～0.85wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且化学成分需同时满足以下三个关系式：(1)24.76≤Fe/Nb≤31.72；(2)6.81≤Fe/(Nb+Al)≤7.93；(3)1.04≤Fe/(Nb+Ti)≤1.13。
2.一种根据权利要求1所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按所述Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的化学成分及含量配料，采用真空电弧炉炼炉进行熔炼，用铜模工艺浇注铸坯，直接使用铸造成型的材料，即得Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金。
3.根据权利要求2所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，其特征在于：以纯度为99.99％的铝、铬、铁、镍、钛和铌单质颗粒为原料，通过砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，依次在水和酒精中超声清洗，50～80℃温度下干燥0.5～2h后备用。
4.根据权利要求2所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，其特征在于：按照各元素用量称取预处理的金属小颗粒，进行原料配置；将配好的原料按高熔点元素在下，低熔点元素在上的排列方式进行放置并熔炼。
5.根据权利要求2所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，其特征在于：金属熔炼时，熔炼参数设置值:真空度为1.5～2.5×10-3Pa，充入惰性气体至-0.04～-0.06Mpa；熔炼时熔炼电流为250A～700A。
6.根据权利要求2至5任一所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的制备方法，其特征在于：采用真空电弧炉熔炼铜模浇注的工艺进行反复熔炼，熔炼次数为1～3。
7.一种根据权利要求1所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的应用，其特征在于：用于制备高耐磨性刀具或模具。
8.一种根据权利要求1所述的Nb元素微合金化抗高温抗磨损块体多组分合金的应用，其特征在于：用于高抗磨材料以及制备机械产品再制造所用抗温抗磨材料。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2688647A1 (en) * 2009-12-16 2011-06-16 Villares Metals S/A Wear resistant alloy for high temperature applications
CN106086486A (zh) * 2016-08-12 2016-11-09 北京理工大学 一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法
CN108893738A (zh) * 2018-08-07 2018-11-27 华东交通大学 一种等轴晶超硬Fe-Ni基合金耐磨涂层及其制备方法
WO2020098306A1 (zh) * 2018-11-12 2020-05-22 南京钢铁股份有限公司 一种大厚度nm500耐磨钢及生产方法
CN111334698A (zh) * 2020-03-15 2020-06-26 沈阳工业大学 一种含调控调幅分解组织且生成硬质相的耐磨高熵合金及其制备方法
CN112899545A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 中国科学院金属研究所 一种纳米析出相强化体心立方FexCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金
WO2022236915A1 (zh) * 2021-05-12 2022-11-17 深圳市亚稳科技投资有限公司 一种用于制备运动器材高熵材料及其制备方法
CN115558833A (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 中国科学院金属研究所 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
CN115821143A (zh) * 2022-11-10 2023-03-21 南昌大学 一种耐高温磨损的AlCoCrFeNiNbx高熵合金

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112831710B (zh) 2019-11-22 2022-03-11 长沙理工大学 一种超硬耐磨高熵合金及其制备方法
KR20220048789A (ko) * 2020-10-13 2022-04-20 현대자동차주식회사 고온 경도가 우수한 하이엔트로피 합금
CN112831711B (zh) * 2020-12-30 2022-06-07 大连理工大学 一种高性能低密度双相高熵合金及其制备方法
CN113025865B (zh) 2021-03-03 2021-12-07 北方工业大学 一种AlCoCrFeNi系双相组织高熵合金制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2688647A1 (en) * 2009-12-16 2011-06-16 Villares Metals S/A Wear resistant alloy for high temperature applications
CN106086486A (zh) * 2016-08-12 2016-11-09 北京理工大学 一种强韧性匹配良好的高熵合金及其制备方法
CN108893738A (zh) * 2018-08-07 2018-11-27 华东交通大学 一种等轴晶超硬Fe-Ni基合金耐磨涂层及其制备方法
WO2020098306A1 (zh) * 2018-11-12 2020-05-22 南京钢铁股份有限公司 一种大厚度nm500耐磨钢及生产方法
CN111334698A (zh) * 2020-03-15 2020-06-26 沈阳工业大学 一种含调控调幅分解组织且生成硬质相的耐磨高熵合金及其制备方法
CN112899545A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 中国科学院金属研究所 一种纳米析出相强化体心立方FexCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金
WO2022236915A1 (zh) * 2021-05-12 2022-11-17 深圳市亚稳科技投资有限公司 一种用于制备运动器材高熵材料及其制备方法
CN115558833A (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 中国科学院金属研究所 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
CN115821143A (zh) * 2022-11-10 2023-03-21 南昌大学 一种耐高温磨损的AlCoCrFeNiNbx高熵合金

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effects of Nb additions on the microstructure and tribological properties of Al0.25CrFeNi1.75 high-entropy alloy;Qinglin Li et al.;Intermetallics;20220913;第151卷;全文 *
Novel AlCrFeNiNb0.3 high entropy alloy: Microstructure, properties and an unknown Nb-rich intermetallide;Lior Natovitz et al.;Intermetallics;20201001;第127卷;全文 *
Ti掺杂对CoCrCuFeMn高熵合金组织结构和耐磨性的影响;马明星;王志新;周家臣;梁存;朱达川;张德良;;机械工程学报;20200520(第10期);全文 *
高熵合金耐磨性能研究进展;杨立夫等;钢铁研究学报;20230731;第35卷(第7期);全文 *

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