CN116875866A - 一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于高熵合金及制备技术领域，提供了一种L12相强化型Fe‑Co‑Ni基高熵合金及其制备方法，所述Fe‑Co‑Ni基高熵合金的化学成分原子百分比为：Fe：0‑35％，Co：0‑35％，Ni：0‑35％，Al：0‑10％，Nb：0‑5％。本发明所提供的一种L12相强化型Fe‑Co‑Ni基高熵合金及其制备方法，在FCC高熵合金中引入了纳米级的、弥散分布的L12相，在不降低基体合金优异塑性的同时，显著提高了合金的室温拉伸强度，使Fe‑Co‑Ni基高熵合金的室温屈服强度可大于1000Mpa、室温抗拉强度可大于1300MPa、拉伸塑性可大于30％，合金的强度得以提高，且具有优异的强塑性匹配，可以应用于具有较高要求的结构材料领域，如建筑、桥梁、汽车、航空航天等，可应用范围较广。
Description
技术领域
本发明属于高熵合金及制备技术领域，尤其涉及一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金及其制备方法。
背景技术
高温合金主要以镍基合金为主，它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能，因此广泛应用于航空航天领域。但是目前广泛使用的镍基合金受限于镍元素的熔点，其性能及其使用温度逐渐达到技术瓶颈。
高熵合金是一类新兴的材料，又称为多主元合金，与传统合金相比，高熵合金通常包含3至5种主元素，每种主元素成分都大于5％。这种合金设计的框架使得合金表现出有别于传统合金的优异性能，如优异的力学性能，良好的抗腐蚀、抗辐照性能等，推动高性能金属材料的研发进入一个新的阶段，因此该类合金也成为了结构材料领域最热门的研究方向之一。然而，早期的高熵合金的开发大多聚焦于单相固溶体，如面心立方型高熵合金，而这类合金的强度往往不足，应用受限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金及其制备方法，其强度较高且，可应用范围相对较广，
本发明的技术方案是：一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的化学成分原子百分比为：Fe：0-35％，Co：0-35％，Ni：0-35％，Al：0-10％，Nb：0-5％。
具体地，所述Fe-Co-Ni基高熵合金中Fe、Co、Ni为等原子比。
具体地，所述Fe-Co-Ni基高熵合金具有L12相和基体FCC相
具体地，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的强化相成包括L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)。
具体地，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的室温屈服强度大于1000Mpa、室温抗拉强度大于1300MPa、拉伸塑性大于30％。
本发明还提供了一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，用于制备上述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，包括以下步骤：
熔炼步骤：按所述Fe-Co-Ni基高熵合金的原子百分数称取单质材料进行熔炼，冷却后得到铸锭；
将所述述铸锭置于1000℃至1200℃进行固溶处理，经空冷后再进行冷轧处理，然后于1000℃至1200℃进行再结晶处理，接着于600℃至900℃进行时效处理，然后经空气冷却，获得所述L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金。
具体地，所述冷轧处理中轧制变形量为50％至80％。
具体地，所述再结晶处理的时间为1min至30min。
具体地，所述固溶处理处理的时长为2h。
具体地，所述时效处理的时长为2至24h。
本发明所提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金及其制备方法，Fe、Co、Ni为合金的主要元素，用于形成合金FCC基体，FCC基体具有高延展性和较大的固溶能力，有利于实现高的强塑性的匹配和高体积分数的第二相，Al作为L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)相形成元素之一，主要作用是提高合金的机械性能，同时也具有一定的抗氧化性，Nb作为一种高熔点元素，也是L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)相形成元素，同时有助于提高合金的固溶温度和高温力学性能以及抗氧化性，合金的微观组织特征包括均匀分布的纳米级极细颗粒状有序的L12相(强化相)和基体FCC相，且强化相成分为一种新型的L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)，避免纳米析出相与基体的结构与本征性能的差异、基体和析出相在材料变形过程中发生不协同变形、引起局部的应力集中而导致材料塑性的大幅度降低的缺陷，通过合理的成分和精细地组织调控，制备出具有高密度的L12纳米析出强化的Fe-Co-Ni基高熵合金，使其具有优异的强塑性匹配，其制备方法通过一定的热处理工艺，在FCC高熵合金中引入了纳米级的、弥散分布的L12相，在不降低基体合金优异塑性的同时，显著提高了合金的室温拉伸强度，使Fe-Co-Ni基高熵合金的室温屈服强度可大于1000Mpa、室温抗拉强度可大于1300MPa、拉伸塑性可大于30％，合金的强度得以提高，且具有优异的强塑性匹配，可以应用于具有较高要求的结构材料领域，如建筑、桥梁、汽车、航空航天等，可应用范围较广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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(a)是本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金中合金5(Alloy5)的时效后的扫描电镜图像；
图1(b)是本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金中合金6(Alloy6)的时效后的扫描电镜图像；
图2是本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金中合金5(Alloy5)的元素成分分布图及选区电子衍射图；
图3(a)本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金中Alloy1、Alloy4、Alloy5、Alloy6合金不同热处理工艺下的拉伸曲线；
图3(b)本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金中Alloy1、Alloy4、Alloy5、Alloy6合金不同热处理工艺下的拉伸曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，所述Fe-Co-Ni基高熵合金(即L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，以下简称合金)的化学成分原子百分比为：Fe：0-35％，Co：0-35％，Ni：0-35％，Al：0-10％，Nb：0-5％，Fe、Co、Ni为合金的主要元素，用于形成合金FCC基体，FCC基体具有高延展性和较大的固溶能力，有利于实现高的强塑性的匹配和高体积分数的第二相，Al作为L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)相形成元素之一，主要作用是提高合金的机械性能，同时也具有一定的抗氧化性，Nb作为一种高熔点元素，也是L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)相形成元素，同时有助于提高合金的固溶温度和高温力学性能以及抗氧化性，合金的微观组织特征包括均匀分布的纳米级极细颗粒状有序的L12相(强化相)和基体FCC相，且强化相成分为一种新型的L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)，通过一定的热处理工艺，在FCC高熵合金中引入了纳米级的、弥散分布的L12相，在不降低基体合金优异塑性的同时，显著提高了合金的室温拉伸强度，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的室温屈服强度大于1000Mpa、室温抗拉强度大于1300MPa、拉伸塑性大于30％，合金的强度得以提高，且具有优异的强塑性匹配，可以应用于具有较高要求的结构材料领域，如建筑、桥梁、汽车、航空航天等，可应用范围较广。
本发明实施例还提供了一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，用于制备上述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，包括以下步骤：
熔炼步骤：按所述Fe-Co-Ni基高熵合金的原子百分数称取单质材料进行熔炼，冷却后得到铸锭；
将所述述铸锭置于1000℃至1200℃进行固溶处理，经空冷后再进行冷轧处理，然后于1000℃至1200℃进行再结晶处理，接着于600℃至900℃进行时效处理，然后经空气冷却，获得所述L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金。
具体地，所述冷轧处理中轧制变形量为50％至80％。
具体地，所述再结晶处理的时间为1min至30min。
具体地，所述固溶处理处理的时长为2h。
具体地，所述时效处理的时长为2至24h。
具体地，所述Fe-Co-Ni基高熵合金中，Fe、Co、Ni可以为等原子比，例如，以制备L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金1、2、3为例，化学式可为(FeCoNi)100-2xAlxNbx，(Fe、Co、Ni为等原子比，x＝3,4,5at.％,对应合金1、2、3)。其制备步骤如下，按原子百分数分别称取高纯度Fe、Co、Ni、Al、Nb单质材料；将配比好的单质材料置入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3Pa以下，之后充入氩气进行熔炼保护。合金在熔炼炉中反复熔炼6次以上，获得熔炼均匀的铸锭。之后将铸锭放在1000℃至1200℃管式炉中进行固溶处理2h，在空气中冷却。接着经过冷轧处理后在1000℃至1200℃保温1至3min使合金完全再结晶，随后在600℃的箱式炉中时效处理24h，然后在空气中冷却，可分别获得L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金1(Alloy1)、2(Alloy2)、3(Alloy3)，对L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金1(Alloy1)、2(Alloy2)、3(Alloy3)进行常温拉伸试验，可看出随着Nb含量的升高，合金的强度明显提高，但是塑性降低十分严重，当Nb含量适中时可获得优强度和塑性组合的最优匹配。
以制备L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金4、5、6为例，将按照Al元素含量(0至10％，原子比)的变化，称取高纯度Fe、Co、Ni、Al、Nb单质材料；将配比好的单质材料置入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3Pa以下，之后充入氩气进行熔炼保护。合金在熔炼炉中反复熔炼6次以上，获得熔炼均匀的铸锭。之后，在管式炉中，将铸锭放在1000至1200℃的管式炉中进行固溶处理2h，进行一定程度的冷轧处理后在1000至1200℃保温1至3min使合金完全再结晶，空气中冷却。接着在不同温度(600至900℃)的箱式炉中进行时效处理24h后在空气中冷却，最终获得L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金4(Alloy4)、5(Alloy5)、6(Alloy6)。对L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金4(Alloy4)、5(Alloy5)、6(Alloy6)进行常温拉伸试验，其不同热处理试验的工程应力应变曲线如图3(a)和图3(b)所示。Alloy5和Alloy6时效后的扫描电镜图像如图1(a)和图1(b)所示。图2是合金5(Alloy5)元素成分分布图及选区电子衍射图。
本发明实施例所提供的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金及其制备方法，添加了一定含量的高熔点元素Nb，能够在一定程度上提高合金的固溶温度、高温力学性能以及抗氧化性等，具有可观的高温应用前景，Fe-Co-Ni基高熵合金其室温屈服强度可大于1000MPa，室温抗拉强度可大于1300MPa，拉伸塑性可大于30％。且制备工艺简单易行，可以通过调整成分和加工工艺参数对合金的组织进行调控，获得具有不同纳米析出相尺寸和体积分数的合金，进而对合金的力学性能进行可控设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，其特征在于，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的化学成分原子百分比为：Fe：0-35％，Co：0-35％，Ni：0-35％，Al：0-10％，Nb：0-5％。
2.如权利要求1所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，其特征在于，所述Fe-Co-Ni基高熵合金中Fe、Co、Ni为等原子比。
3.如权利要求1所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，其特征在于，所述Fe-Co-Ni基高熵合金具有L12相和基体FCC相。
4.如权利要求1所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，其特征在于，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的强化相成包括L12型(Ni,Co,Fe)3(Al,Nb,Fe)。
5.如权利要求1所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，其特征在于，所述Fe-Co-Ni基高熵合金的室温屈服强度大于1000Mpa、室温抗拉强度大于1300MPa、拉伸塑性大于30％。
6.一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5中任一项所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金，包括以下步骤：
熔炼步骤：按所述Fe-Co-Ni基高熵合金的原子百分数称取单质材料进行熔炼，冷却后得到铸锭；
将所述述铸锭置于1000℃至1200℃进行固溶处理，经空冷后再进行冷轧处理，然后于1000℃至1200℃进行再结晶处理，接着于600℃至900℃进行时效处理，然后经空气冷却，获得所述L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金。
7.如权利要求6所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，其特征在于，所述冷轧处理中轧制变形量为50％至80％。
8.如权利要求6所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，其特征在于，所述再结晶处理的时间为1min至30min。
9.如权利要求6所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理处理的时长为2h。
10.如权利要求6所述的一种L12相强化型Fe-Co-Ni基高熵合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的时长为2至24h。
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