CN116855811A - 一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法，属于新材料设计领域。本发明设计出CrFeCoNiNbxZry高熵合金，并采用真空电弧熔炼或感应熔炼手段制备出金属铸锭，成功在具有正热膨胀系数的CrFeCoNi基体合金中引入具有负热膨胀系数的(Zr,Nb)M2(M＝Cr,Fe,Co,Ni)型金属化合物，实现了合金的零膨胀特性。本发明通过双相结构设计，有效解决了高熵合金热膨胀系数过高的难题，其热膨胀系数为0.5×10‑6～2×10‑6K‑1，零膨胀温度区间约为‑110℃～‑80℃，适用于尺寸精度较高的小型、微型电子元器件。
Description
技术领域
本发明涉及零膨胀金属领域，尤其涉及一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法。
背景技术
自然界中的多数材料具有热胀冷缩的性质，即随着温度升高，体积膨胀。然而，对于一些小型、微型的电子元器件，如高度集成的芯片，其尺寸精度极为重要，高尺寸精度保证了其不产生内应力，进而不会发生开裂等情况，从而决定其使用寿命，因此需要寻求一种零膨胀的特殊材料。同时，为了兼具电子元器件的导电性、导热性、强韧性等综合性质，本发明选择金属材料作为发明对象。
高熵合金由于具有优异的强韧性、导电性、导热性和易加工性质被广泛关注，其中CrFeCoNi高熵合金表现出极其优异的低温和室温强韧性，适用于小型和微型电子元器件，然而其热膨胀系数较高，约为14*10-6K-1，达不到零膨胀使用需求，因此需要寻求一种新的办法降低其热膨胀。在金属中引入具有负热膨胀特性的金属化合物，从而抵消金属本身的正热膨胀是一种有效的办法，该方法已经在纯Fe中得到证实，Yu等人(Nat Commun 12,4701(2021).)在纯Fe中加入稀土元素Ho，制备获得双相共晶合金，形成α-Fe相和具有负热膨胀性质的Ho2Fe17金属化合物，从而获得了具有零膨胀特性的双相合金。然而高熵合金的主元组成复杂，主元之间存在交互作用，与纯金属的凝固过程有着显著区别，因此相形成也存在较大区别。本发明依据这一点，基于共晶反应，引入负热膨胀金属化合物，设计具有零膨胀的双相高熵合金。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种零膨胀双相高熵合金及其制备方法，使之具备导电性、导热性、强韧性的同时，具有零膨胀性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种零膨胀双相高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中Cr、Fe、Co、Ni、Nb、Zr原子比为1:1:1:1:x:y，x+y处于0.10～0.65范围之间。
在以上技术方案的基础上，优选的，20％≤x/(x+y)≤30％，70％≤y/(x+y)≤80％。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述高熵合金的微观组织为共晶组织，双相为FCC相和Laves相，呈现出层片状交替分布特征，其中Laves相中富集Nb和Zr元素，FCC相中富集Cr、Fe、Co和Ni四种元素。
进一步优选的，FCC相的体积分数为40％～60％，Laves相的体积分数为40％～60％。
在以上技术方案的基础上，优选的，其热膨胀系数0.5×10-6～2×10-6K-1，零膨胀温度区间为-110～-80℃，在10～25℃的屈服强度为1.0～1.5GPa。
第二方面，本发明提供了第一方面所述零膨胀双相高熵合金的制备方法，包括以下步骤：采用真空电弧熔炼或真空感应熔炼纯金属原材料，并使用铜模滴铸成金属铸锭。
在以上技术方案的基础上，优选的，包括以下步骤：在1000～1250℃之间，真空均匀化处理6～24小时，最后在10～25℃进行水淬。
本发明的零膨胀双相高熵合金及其制备方法相对于现有零膨胀金属材料具有以下有益效果：
(1)本发明选取了CrFeCoNi高熵合金材料作为基体合金，该合金与现有的纯Fe相比，性能上，具有更高的强度和韧性，更适用于小型和微型的结构器件；成分上，高熵合金的主元组成复杂，在凝固过程中，主元元素之间产生交互作用，影响相形成过程，因此比纯金属更为复杂，综合以上，高熵合金具有更为优异的综合性能；
(2)在CrFeCoNi的基础上，加入Nb和Zr元素，使得高熵合金内形成FCC相和Laves相层片状交替分布的共晶组织，FCC相作为韧性基体，而Laves相具有负热膨胀特性，同时，调控FCC的体积分数介于40％～60％之间，Laves相的体积分数介于40％～60％之间，最终高熵合金实现零膨胀特性，其中热膨胀系数为0.5×10-6～2×10-6K-1，温度区间为-110～-80℃。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例7制备得到的高熵合金的膨胀曲线；
图2为实施例8制备得到的高熵合金的膨胀曲线；
图3实施例9制备得到的高熵合金的膨胀曲线；
图4实施例10得到的高熵合金的膨胀曲线；
图5实施例8制备得到的高熵合金的XRD图；
图6实施例8～10制备得到的高熵合金的室温压缩力学曲线图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.1，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.03Zr0.07。制备过程如下：
步骤1：准备原材料。准备纯度为99.9％的Cr、Fe、Co、Ni、Nb、Zr金属原材料，其原子数量满足以下要求：
Cr:24.39％，Fe:24.39％，Co:24.39％，Ni:24.39％，Nb:0.73％，Zr:1.71％。
步骤2：采用真空电弧熔炼纯金属原材料，并使用铜模滴铸成金属铸锭。熔炼过程中保持惰性气氛避免材料氧化，可以采用任意常见的惰性气氛熔炼炉进行熔炼。将熔炼得到的每个纽扣锭重熔5次，并使用铜模进行滴铸，可以获得均匀性、致密性更好的合金铸锭。
步骤3：滴铸后进行均匀化处理，首先使用石英管进行真空密封，之后在1000℃，均匀化处理24小时，最后在20℃进行水淬。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤3的均匀化处理温度为1150℃，均匀化处理12小时。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤3的均匀化处理温度为1250℃之间，均匀化处理6小时。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤2采用真空感应熔炼纯金属原材料。
实施例5
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.65，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.2Zr0.45。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例6
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝1，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.3Zr0.7。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例7
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.2，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.06Zr0.14。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例8
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.09Zr0.21。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例9
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.35，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.11Zr0.25。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例10
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.4，且x:y＝3:7，即成分为CrFeCoNiNb0.12Zr0.28。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例11
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0，即成分为CrFeCoNi。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例12
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x：y＝2:8，即成分为CrFeCoNiNb0.06Zr0.24。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例13
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x：y＝2.5:7.5，即成分为CrFeCoNiNb0.075Zr0.225。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例14
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x＝0.3；y＝0，即成分为CrFeCoNiNb0.3。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例15
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x＝0；y＝0.3，即成分为CrFeCoNiZr0.3。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例16
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x：y＝1:9，即成分为CrFeCoNiNb0.03Zr0.27。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
实施例17
本实施例的高熵合金，其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中，x+y＝0.3，且x：y＝5:5，即成分为CrFeCoNiNb0.15Zr0.15。
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤1中根据本实施例的成分比例准备金属原材料。
对以上实施例1～13得到的高熵合金进行热膨胀曲线测试，相应的热膨胀系数的对应的温度区间如下表所示。
由实施例8、11、14和15的对比可知，不添加或者单独添加Nb和Zr时，制备得到的高熵合金没有表现出零膨胀性能；
由实施例1、5～10的对比可知，当x+y处于0.10～0.65范围之间时具有零膨胀特性；当x+y达到1时，零膨胀特性消失；
由实施例8、12、13、16和17的对比可知，当x:y处于(2-3)～(7-8)范围之间时具有零膨胀特性；当x:y低于以上区间范围时或者高于以上区间范围时，均不具有零膨胀性质。
由图5可知，本实施例8制备得到的高熵合金由Laves相和FCC相组成；
由图6可知，本实施例8-10制备得到的高熵合金室温屈服强度介于1.0～1.5GPa之间。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (7)
1.一种零膨胀双相高熵合金，其特征在于：其成分为CrFeCoNiNbxZry，其中Cr、Fe、Co、Ni、Nb、Zr原子比为1:1:1:1:x:y，x+y处于0.10～0.65范围之间。
2.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：20％≤x/(x+y)≤30％，70％≤y/(x+y)≤80％。
3.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的微观组织为共晶组织，双相为FCC相和Laves相，呈现出层片状交替分布特征，其中Laves相中富集Nb和Zr元素，FCC相中富集Cr、Fe、Co和Ni四种元素。
4.如权利要求3所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：FCC相的体积分数为40％～60％，Laves相的体积分数为40％～60％。
5.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金，其特征在于：其热膨胀系数约为0.5×10-6～2×10-6K-1，零膨胀温度区间为-110～-80℃，在10～25℃的屈服强度为1.0～1.5GPa。
6.如权利要求1所述的零膨胀双相高熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：采用真空电弧熔炼或真空感应熔炼纯金属原材料，并使用铜模滴铸成金属铸锭。
7.如权利要求6所述的零膨胀双相高熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：在1000～1250℃之间，真空均匀化处理6～24小时，最后在10～25℃进行水淬。
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2023
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Patent Citations (8)
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| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116855811B (zh) | 2024-02-02 |
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