CN117070786A - 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 - Google Patents
一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117070786A CN117070786A CN202311272903.0A CN202311272903A CN117070786A CN 117070786 A CN117070786 A CN 117070786A CN 202311272903 A CN202311272903 A CN 202311272903A CN 117070786 A CN117070786 A CN 117070786A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- entropy alloy
- nano
- scale
- particles
- heterostructure
- 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.)
- Pending
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 131
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 120
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 66
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 9
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 32
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 claims description 14
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000010314 arc-melting process Methods 0.000 claims description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 13
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000002932 luster Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 3
- 238000009489 vacuum treatment Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/07—Metallic powder characterised by particles having a nanoscale microstructure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
本发明公开了一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法，将Al，Co，Cr，Ni，V颗粒混合得到固体混合颗粒；对真空熔炼炉进行抽真空处理并通入保护气体，然后对固体混合颗粒进行熔炼，得到AlCoCrNiV高熵合金试样；对AlCoCrNiV试样进行线切割和粗加工；对高熵合金试样进行力学性能测试和高温循环氧化测试，然后得到高熵合金AlCoCrNiV的显微硬度、抗压强度和高温抗氧化性能。本发明方法通过真空电弧熔炼得到了组织均匀的高熵合金块体，通过Al的加入，改变高熵合金的微观组织结构，在基体中出现了分布均匀的纳米析出相异质结构，有效提高材料的显微硬度和屈服强度等力学性能。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法。
背景技术
随着航空航天，以及军工行业的发展，传统金属以及合金已经无法满足对材料性能以及特殊功能的需求。21世纪以来，兴起了一种新型的合金——高熵合金。高熵合金是由五种或物种以上元素构成的合金，且每种元素的原子比例在5％到35％之间。由于五元相图中间的部分非常复杂，因此调节每种元素的含量或者不同的元素构成可能得到不同性质的高熵合金。
由于高熵合金独特的成分组成，其主要有四种特殊效应：即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及组分协同效应。基于这四种特殊的效应，高熵合金的成分组合趋于多样化。而由于高熵合金多采用的是3d过渡族金属以及难熔金属，所以对于制样温度有较高要求。而传统面心立方体系高熵合金虽具有塑性好的特点，但是其强度硬度不足是一劣势。针对这一劣势本发明加入体心立方难熔金属元素钒代替面心立方金属元素铁，并且调整铝金属元素的含量，获得纳米尺度异质结构，得到均匀的纳米析出相，从而提高高熵合金的强度和硬度。并且尖端科技所需求的服役工况多数较为苛刻，多数要求在高温下拥有一定的强度和抗氧化性能。而Al元素的加入也可以提高高熵合金的抗氧化性能。
因此，采用真空电弧熔炼方法制备AlCoCrNiV高熵合金；传统冶金铸造无法满足温度以及真空环境要求。通过调整高熵合金中元素含量来调控高熵合金的微观组织以及提升高熵合金的力学性能和高温抗氧化性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法，用于解决面心立方体系高熵合金强硬度低的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，将Al，Co，Cr，Ni，V单质颗粒混合得到固体颗粒；对固体颗粒进行真空电弧熔炼，得到AlCoCrNiV高强度高熵合金。
具体的，固体颗粒中，按质量百分数计，Al单质颗粒为0％～4％，Co单质颗粒为26.5％～32.5％，Cr单质颗粒为16.5％～23.5％，Ni单质颗粒为26.5％～32.5％，V单质颗粒为16.5％～23.5％。
具体的，真空电弧熔炼次数大于等于5次。
具体的，真空电弧熔炼过程中，引弧针与固体颗粒之间的距离为3.5～3.7mm。
具体的，真空电弧熔炼过程中通入Ar气。
进一步的，Ar气的通入次数大于等于3次。
具体的，真空电弧熔炼过程中，设置循环水的实际温度与预设温度为22～24℃；调节熔炼电流为150～160A。
具体的，真空电弧熔炼过程中，控制熔炼时气压＜0.05MPa，电弧熔炼时的引弧电流为20A，熔炼电流为150～160A，熔炼温度＞2000℃，熔炼时间2～3分钟。
本发明的另一技术方案是，一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金。
具体的，高强度高熵合金的显微硬度为239.2～619.3HV，压缩屈服强度为232～1239MPa，抗压强度为1800～1850MPa，经100h700℃高温循环氧化实验后氧化增重为0.95～2.14mg·cm-2。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，通过采用真空电弧熔炼的方法，制备AlCoCrNiV高熵合金材料，V元素的加入改变了高熵合金的结构，产生了纳米尺度的均匀析出相，通过调节Al元素的含量，有效提高了高熵合金的屈服强度、抗压强度和显微硬度等力学性能和高温抗氧化性能，具有十分重要的意义。
进一步的，按质量百分数计，Al单质颗粒为0％～4％，Co单质颗粒为26.5％～32.5％，Cr单质颗粒为16.5％～23.5％，Ni单质颗粒为26.5％～32.5％，V单质颗粒为16.5％～23.5％，与传统的面心立方体系高熵合金相比，具有更高的强度和硬度。
进一步的，通过在AlCoCrNiV中调节合金元素Al的含量，一方面该类合金元素的添加，增加硬度较高的相的含量，改变相组成，另一方面合金元素会起到固溶强化和引起高熵合金晶格畸变的作用，可以有效提高结构材料的强度。
进一步的，调节引弧针与固体颗粒之间距离为3.5～3.7mm，一方面，防止引弧针与固体颗粒之间距离过近，初始熔炼时发生粘针，另一方面防止在熔炼时，引弧针与固体颗粒距离较远，造成引弧困难，影响熔炼过程。
进一步的，在熔炼时，进行三次抽真空处理，充三次氩气，最终确保熔炼气氛为氩气，防止了在熔炼较高温度下，空气对熔炼试样造成氧化，通入22℃的冷却循环水，为了加快熔炼过程的冷却速率，减少试样偏析，能尽最大程度保证组织均匀化。将试样反复熔炼5次，确保固体颗粒能够充分熔炼，试样各部分分布均匀，熔炼过程中调节电压为固定电压，调节电流为150～160A，一方面防止电流过低，不利固体颗粒的充分熔化，导致熔炼效率降低，另一方面防止电流过高，造成合金元素的烧损，影响材料的力学性能。
进一步的，AlCoCrNiV高熵合金在调节Al元素含量之后，高熵合金的相和组织结构发生变化。高熵合金中的相分为三种，第一种是较硬的金属间化合物相，第二种是硬度居中的BCC相，第三种是硬度最低的FCC相。随着Al元素的增加，合金会呈现出强度硬度越来越高(坚硬而脆性的金属间化合物相越来越多)，塑性越来越差的趋势。此外，由于二元混合焓以及元素扩散速率的不同，高熵合金中会析出一些不同尺度的异构组织，如短程有序结构，纳米析出相等。这些异构的存在会阻碍位错运动，从而提高高熵合金的强度和硬度。
综上所述，本发明通过非自耗真空电弧熔炼改变了材料的组织结构，有效提高材料的显微硬度和抗压强度等力学性能和高温抗氧化性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为未添加Al元素的等原子比高熵合金组织结构；
图2为未添加Al元素的非等原子比高熵合金的组织结构；
图3为Al元素添加量为4％的非等原子比高熵合金的组织结构；
图4为Al元素添加量为4％的非等原子比高熵合金的TEM明场像；
图5为不同高熵合金的压缩应力应变曲线；
图6为不同高熵合金的硬度；
图7为不同高熵合金的氧化增重曲线。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。
本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。
本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。
本发明中，本文中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
本发明提供了一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法，将Al，Co，Cr，Ni，V颗粒混合得到固体颗粒；对真空熔炼炉进行抽真空处理并通入保护气体，然后对固体颗粒进行熔炼，得到AlCoCrNiV高熵合金试样；对AlCoCrNiV试样进行线切割和粗加工；对AlCoCrNiV试样进行性能测试，然后得到高强度高韧性高熵合金AlCoCrNiV的显微硬度和抗压强度。本发明方法通过真空电弧熔炼得到了组织均匀的高熵合金块体，通过Al的加入，改变高熵合金的微观组织结构，有效提高材料的显微硬度和抗压强度等力学性能。
本发明一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，包括以下步骤：
S1、将Al，Co，Cr，Ni，V单质颗粒混合得到固体颗粒；
按照质量分数计算，称取0％～4％的Al单质颗粒，26.5％～32.5％的Co单质颗粒，16.5％～23.5％的Cr单质颗粒，26.5％～32.5％的Ni单质颗粒，16.5％～23.5％的V单质颗粒。
称量时，质量精确至百分位(＜0.05g)。
S2、电弧熔炼
将步骤S1中称量混合好的固体颗粒放入擦拭干净的炉仓内，调节引弧针与固体颗粒之间的距离至3.5～3.7mm处，关闭仓门；进行抽气真空处理，真空处理完毕后，冲入Ar气；抽气放气操作共重复至少3次，确保熔炼时仓内保护气氛为Ar气；打开冷却循环水，设置循环水的实际温度与预设温度为22～24℃；调节熔炼电流为150～160A，电压为固定电压，对固体颗粒进行熔炼，反复熔炼至少5次，得到AlCoCrNiV高熵合金试样。
S3、对步骤S2得到的AlCoCrNiV高熵合金试样进行线切割，然后进行粗加工；
根际预设尺寸10×5×1mm～10×5×1.2mm和对步骤S2制备的AlCoCrNiV高熵合金试样进行线切割处理，然后用200#砂纸进行打磨，直至试样表面露出金属光泽。
S4、对步骤S3得到的AlCoCrNiV试样进行力学性能测试和高温循环氧化测试。
先记录试样的原始重量，高温循环氧化测试的初始温度为室温，加热时间为70min，加热终末温度为700℃，保温温度为700℃，保温时间为600min，后随炉冷却到室温，记录氧化后的重量，重复此过程十次，共保温100h，得到氧化增重曲线。
本发明一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金，AlCoCrNiV的显微硬度为239.2～619.3HV，压缩屈服强度为232～1239MPa，抗压强度为1800～1850MPa，经100h700℃高温循环氧化实验后氧化增重为0.95～2.14mg·cm-2。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
采用非自耗真空电弧熔炼，按质量分数计，将0％的Al单质颗粒，26.5％的Co单质颗粒，23.5％的Cr单质颗粒，26.5％的Ni单质颗粒，23.5％的V单质颗粒混合制备CoCrNiV高熵合金材料。
电弧熔炼前，首先将炉仓内用浸有酒精的无尘布擦拭干净，放入混合的固体颗粒以后，引弧针与固体颗粒之间的距离调节至引弧针与固体颗粒之间距离为3.7mm后，关闭仓门，进行3次抽真空三次通入Ar气处理，每次抽气真空处理时待压力表转至近真空状态保持3min，冲入Ar气时待压力表转至微正压保持1min，第三层充入Ar气时保持炉内0.05MPa的负压，确保熔炼时的气氛为Ar气保护气体；之后打开冷却循坏水，设置循环水温度为22℃，然后调节熔炼电流为20A，引弧成功后缓慢将电流调整至150A，开始对混合固体颗粒进行熔炼，其中需要反复熔炼5次，最大程度确保试样各部分成分均匀，制备出高熵合金材料CoCrNiV。将制备好的高熵合金纽扣样进行设计尺寸10×5×1mm和φ4×6mm的线切割，将线切割好的试样用200#砂纸打磨至金属光泽。观察组织结构，测试力学性能以及高温抗氧化性能。
本实施例可以有效提高材料的强度，所制备的试样物相分布比较均匀，裂纹和气孔缺陷相对较少。高熵合金材料AlCoCrNiV的显微硬度为619.3HV。依照ASTM C633标准要求，在万能试验机上测得高熵合金CoCrNiV的屈服强度为1239MPa，抗压强度为1828MPa，压缩应变为20.1％。经过100h高温循环氧化测试之后氧化增重为2.05mg·cm-2。
本发明一种高强韧、抗氧化、具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，由实施例1可以看出，高熵合金虽然强度硬度较高，但塑性较差，且并没有纳米析出相。为了改善高熵合金的脆性以及优化高温抗氧化性能，对本发明中的方案进行了改进。降低体心立方元素V和Cr的含量，CoCrNiV四种元素由等原子比变为非等原子比，按照原步骤中的流程进行新实施例。
实施例2
采用非自耗真空电弧熔炼，按质量分数计，将0％的Al单质颗粒，32.5％的Co单质颗粒，17.5％的Cr单质颗粒，32.5％的Ni单质颗粒，17.5％的V单质颗粒混合制备AlCoCrNiV高熵合金材料；引弧针与固体颗粒之间的距离为3.6mm，熔炼电流为155A，冷却循环水温度为23℃，制备出非等原子比高熵合金CoCrNiV；进行设计尺寸10×5×1.1mm和φ4×6mm的线切割，将线切割好的试样用200#砂纸打磨至金属光泽。观察组织结构，测试力学性能以及高温抗氧化性能。
本实施例所制备的试样物相分布比较均匀，几乎没有裂纹和气孔缺陷。高熵合金材料CoCrNiV中只存在一种单一的相即FCC相，硬度为239.2HV，依照ASTM C633标准要求，在万能试验机上测得高熵合金CoCrNiV的抗压屈服强度为232MPa，试样未能压断，无抗压强度数据。对经过粗加工的试样进行高温循环氧化实验，在700℃进行10个周期共100h的测试后，得到该合金氧化增重为2.14mg·cm-2。
实施例3
按质量分数计，将将4％的Al单质颗粒，31.5％的Co单质颗粒，16.5％的Cr单质颗粒，31.5％的Ni单质颗粒，16.5％的V单质颗粒混合制备AlCoCrNiV高熵合金材料，在熔炼前将引弧针与固体颗粒之间的距离为3.5mm，调节熔炼电流为160A，并且打开冷却循环水温度为24℃。进行设计尺寸10mm×5mm×1.2mm和的线切割，将线切割好的试样用200#砂纸打磨至金属光泽。观察组织结构，测试力学性能以及高温抗氧化性能。
本实施例在实施例2的基础上有效提高了材料的强度和硬度，通过本实施例制备的高熵合金AlCoCrNiV的物相分布比较均匀，通过TEM组织观察，发现在FCC基体中析出了分布较为均匀的富Cr纳米析出相，提高了强度和硬度，此方法制备的高熵合金材料AlCoCrNiV显微硬度为351.7HV，依照ASTM C633标准要求，在万能试验机上测得高熵合金材料AlCoCrNiV的屈服强度为568MPa，试样未能压断，无抗压强度数据。对经过粗加工的试样进行高温循环氧化实验，在700℃进行10个周期共100h的测试后，得到该合金氧化增重为0.95mg·cm-2。在增加了Al元素含量之后，高熵合金屈服强度和硬度均得到了提高，高温抗氧化性能也得到了提升。
本发明采用放电等离子烧结(sps)方法制备的AlCoCrFeNi高熵合金，虽然具有较高的抗压屈服强度，但是其塑性较差，高熵合金塑性不超过15％。而本实施例中高熵合金改良之前在有相近屈服强度的情况下，具有20％的塑性，并且改良后未能在压缩实验中压断，改良了其塑性较差的特点。
请参阅图1，为未添加Al元素的等原子比高熵合金CoCrNiV的组织结构图。观察sem图中组织可以发现，高熵合金的晶界并不明显，并且两种金属间化合物相的分布趋于不均匀化，这是由于体心立方结构的难熔金属元素加深了高熵合金的晶格畸变效应，使得合金的流动性变差，从而导致组织均匀性差。
请参阅图2，为未添加Al元素的非等原子比高熵合金CoCrNiV的组织结构图。观察sem图中组织可以发现，高熵合金为单相的FCC结构，组织排列较为整齐，无析出相或者第二相的生成。
请参阅图3，为非等原子比高熵合金AlCoCrNiV在Al元素质量分数为4％时的组织结构图。观察sem图中组织可以发现，除了基体的FCC相之外，有较小的纳米析出相较为均匀地分布在基体中，这种纳米尺度异质结构提升了高熵合金的强度和硬度。
请参阅图4，为非等原子比高熵合金AlCoCrNiV在Al元素质量分数为4％时的TEM明场像。图中可以发现，在基体组织中析出了较为均匀的颗粒大小在20nm～40nm之间的纳米级析出相，经过能谱比对，析出相为Cr元素的富集区，而分布均匀的纳米级析出相对材料的强度硬度有增益作用，并且Cr元素的析出可以有效提高高熵合金的抗氧化性能。
请参阅图5，为高熵合金AlCoCrNiV的压缩应力应变图。经对比分析发现，优化后的高熵合金塑性较好，并且相较于未添加Al元素的非等原子比高熵合金而言，添加4％Al元素的高熵合金具有更高的屈服强度，由232MPa提升到了568MPa，这是由于纳米析出相均匀分布引起的；高熵合金的塑性由等原子比20.1％的压缩应变到非等原子比的未压断，是由于高熵合金成分的调控导致高熵合金的相结构发生变化，由脆性较大的金属间化合物相变为了塑性铰好的FCC相。
请参阅图6，为高熵合金AlCoCrNiV的硬度对比图。经对比分析发现，等原子比高熵合金的硬度最高，为619.3HV，这是由于其中主要的相为金属间化合物相；非等原子比的硬度较低，由FCC相构成，Al元素的加入使得基体中析出了富Cr的纳米析出相，提高了高熵合金的硬度，由239.2HV提升到了351.7HV。
请参阅图7，为高熵合金AlCoCrNiV的氧化增重曲线图。经对比分析发现，等原子比高熵合金的氧化增重与非等原子比高熵合金的氧化增重几乎相等，但是随着在非等原子比高熵合金中加入Al元素，析出了富Cr的析出相，高熵合金的氧化增重减少，由2.14mg·cm-2降低到了0.95mg·cm-2，提升了高熵合金的抗氧化性能。
综上所述，本发明一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法，改变了材料的组织结构，有效提高了材料的显微硬度与强度，提高了高熵合金的高温抗氧化性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，将Al，Co，Cr，Ni，V单质颗粒混合得到固体颗粒；对固体颗粒进行真空电弧熔炼，得到AlCoCrNiV高强度高熵合金。
2.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，固体颗粒中，按质量百分数计，Al单质颗粒为0％～4％，Co单质颗粒为26.5％～32.5％，Cr单质颗粒为16.5％～23.5％，Ni单质颗粒为26.5％～32.5％，V单质颗粒为16.5％～23.5％。
3.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，真空电弧熔炼次数大于等于5次。
4.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，真空电弧熔炼过程中，引弧针与固体颗粒之间的距离为3.5～3.7mm。
5.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，真空电弧熔炼过程中通入Ar气。
6.根据权利要求5所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，Ar气的通入次数大于等于3次。
7.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，真空电弧熔炼过程中，设置循环水的实际温度与预设温度为22～24℃；调节熔炼电流为150～160A。
8.根据权利要求1所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金制备方法，其特征在于，真空电弧熔炼过程中，控制熔炼时气压＜0.05MPa，电弧熔炼时的引弧电流为20A，熔炼电流为150～160A，熔炼温度＞2000℃，熔炼时间2～3分钟。
9.一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金，其特征在于，根据权利要求1所述的制备方法制备而成。
10.根据权利要求9所述的具有纳米尺度异质结构的高熵合金，其特征在于，高强度高熵合金的显微硬度为239.2～619.3HV，压缩屈服强度为232～1239MPa，抗压强度为1800～1850MPa，经100h700℃高温循环氧化实验后氧化增重为0.95～2.14mg·cm-2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311272903.0A CN117070786A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311272903.0A CN117070786A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117070786A true CN117070786A (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=88715516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311272903.0A Pending CN117070786A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117070786A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117305635A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 湘潭大学 | 一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-09-28 CN CN202311272903.0A patent/CN117070786A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117305635A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 湘潭大学 | 一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用 |
| CN117305635B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-02-09 | 湘潭大学 | 一种AlCrTiTaMoB高熵合金材料及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108060322B (zh) | 硬质高熵合金复合材料的制备方法 | |
| CN107267844B (zh) | 一种六元高熵合金及其制备方法 | |
| US8551265B2 (en) | Cobalt-base alloy with high heat resistance and high strength and process for producing the same | |
| CN110438387B (zh) | 硅化物析出强化难熔高熵合金及其制备方法 | |
| CN107267841B (zh) | 一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法 | |
| CN109023002B (zh) | 一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法 | |
| KR20200025803A (ko) | 석출/분산강화형 하이엔트로피 초내열합금 복합소재 및 이의 제조방법 | |
| CN117070786A (zh) | 一种具有纳米尺度异质结构的高熵合金及其制备方法 | |
| US20240076763A1 (en) | Heat-resistant alloy, heat-resistant alloy powder, heat-resistant alloy structural component, and manufacturing method of the same | |
| CN114774752B (zh) | 一种高强高韧TiZrNbMoV难熔高熵合金及其制备方法 | |
| Makena et al. | A review on sintered nickel based alloys | |
| CN113373366A (zh) | 一种多元难熔高熵合金及其制备方法 | |
| KR20220001374A (ko) | 고엔트로피 합금 및 이의 제조방법 | |
| Zhang et al. | Mechanically blended Al: simple but effective approach to improving mechanical property and thermal stability of selective laser-melted Inconel 718 | |
| CN113403520B (zh) | 一种三元难熔中熵合金及其制备方法 | |
| CN111663070B (zh) | 一种耐高温氧化的AlCoCrFeNiSiY高熵合金及其制备方法 | |
| CN113416878A (zh) | Re、Ru固溶强化的VNbTiTaRe和VNbTiTaRu高熵合金及其制备方法 | |
| Liu et al. | Effect of cold working and annealing on microstructure and properties of powder metallurgy high entropy alloy | |
| CN115233076B (zh) | 一种CoNiAl磁控记忆型共晶中熵合金及其制备方法 | |
| EP0043576B1 (en) | Molybdenum-based alloy | |
| CN115466867A (zh) | 一种能够改善其均匀变形能力的TiAl合金及其制备方法 | |
| Yu et al. | Influence of Ni content on the oxidation behavior of alumina-forming Co-based oxide dispersion strengthened superalloys at 900° C | |
| CN113774253A (zh) | 一种宽温域的耐磨材料及制备方法与应用 | |
| Noh et al. | Effects of Precipitates and Oxide Dispersion on the High-temperature Mechanical Properties of ODS Ni-Based Superalloys | |
| Liu et al. | Effect of Ni/Fe ratio on activation sintering and mechanical properties of molybdenum nickel iron alloy |
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 |