CN117144224A

CN117144224A - 一种不含Co高熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN117144224A
Application number: CN202310909656.4A
Authority: CN
Inventors: 杨亮; 王鹏伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2023-07-24
Filing date: 2023-07-24
Publication date: 2023-12-01

Abstract

本发明公开了一种不含Co高熵合金及其制备方法，涉及金属材料领域，以Fe、Ni、Cr、Cu、Al金属颗粒为原料，采用高真空电弧熔炼技术制备FeNiCrCuAl_x(x＝0.1、0.3、0.5、0.8、1.0，x为摩尔比)高熵合金。本发明以FeNiCrCu为基体，调节Al元素的含量，能够起到固溶强化的效果。此外，Al元素与基体元素原子半径相差较大，可调控晶格畸变，并与基体中的Ni结合形成Al‑Ni相，提升硬度和耐腐蚀性。实验结果表明，本发明提供的高熵合金FeNiCrCuAl_1.0综合性能最优，其显微硬度为550HV，同时还表现高的耐腐蚀性能。

Description

一种不含Co高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种不含Co高熵合金材料及其制备方法。

背景技术

为解决日益急迫的能源问题，开发绿色、高性价比的新型能源成为全世界关注的焦点。核能作为一种高能量密度的清洁能源，已在包括中国在内的世界范围得到了大力发展。但目前核能的应用仍存在诸多亟待解决的问题，特别是如何选取具有优异耐辐照性的核能工程材料，以保障核反应装置的安全、高效、长寿命运行。在苛刻环境下，作为核反应堆结构材料应该满足以下几个要求：(1)具有良好的室温力学性能；(2)优良的耐腐蚀性能；(3)热中子吸收截面小和吸收中子后的感生放射性弱；(4)在辐照作用下性能稳定，热导率高，热膨胀系数小等。

高熵合金的迅速发展为研发耐辐照合金型材料提供了重要思路。这是一类由五种或五种以上的过渡族合金元素组成的合金体系，每种元素的摩尔含量在5％～35％之间。与传统晶态合金相比，高熵合金具有四个典型特征效应导致其具有更高的强度和硬度，良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，更好的热稳定性和抗辐照性能。因此，高熵合金被认为具有极大潜力成为未来新一代的核用结构材料，从而引起了国内外科研工作者的广泛关注。目前关于高熵合金的研究很多都含有钴元素，而钴元素(Co)是一种众所周知的中子激活元素，其放射性，特别是其合成同位素(Co60)会严重破坏高熵合金在核电站中的实际应用。因此，开发可作为候选核结构材料的无钴高熵合金具有重要的科学意义。此外，通过高真空电弧熔炼制备高熵合金，其合金化效果好且制备成本也较低，制备过程简单。

因此，为了解决上述问题，本发明提出一种不含钴的高熵合金材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不含Co高熵合金及其制备方法。本发明提供的高熵合金兼具高硬度和高的耐腐蚀性能。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种兼具高硬度和高耐腐蚀性能的高熵合金，其化学式为FeNiCrCuAl_x。

其中，所述化学式中x为0～1。

本发明提供了上述技术方案所述高硬度和高耐腐蚀性高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照摩尔比配置Fe、Ni、Cr、Cu、Al的金属颗粒；

(2)将步骤(1)配制的金属颗粒进行高真空电弧熔炼，吸铸得到高硬度和高耐腐蚀性高熵合金。

其中，步骤(1)中，所采用的Fe、Ni、Cr、Cu、Al的金属颗粒纯度≥99.9％。

其中，步骤(2)中，所述高真空电弧熔炼过程在高纯Ar气环境中进行。

其中，步骤(2)中，所述高真空电弧熔炼过程在所述高纯Ar气是指纯度为≥99.9％的Ar气。

其中，步骤(2)中，所述高真空电弧熔炼过程中熔炼的次数为4～6次。

其中，步骤(2)中，所述高真空电弧熔炼过程中熔炼时的电流为240～300A，每次熔炼时间为55～65s。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明的高熵合金不含Co且具有特定原子比(x＝1.0)的Al，能够起到固溶强化的效果，(2)Al元素与基体元素(Fe、Ni、Cr、Cu)原子半径相差较大，造成晶格畸变并与基体中的Ni结合形成Al-Ni相，提升强度和耐腐蚀性；(3)制备方法简单，制备得到的高熵合金杂质少；(4)通过上述方法制备所得高熵合金其显微硬度为550HV，同时还表现高的耐腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中高硬度和高耐腐蚀性高熵合金的X射线衍射谱；

图2为本发明实施例1中高硬度和高耐腐蚀性高熵合金的硬度图；

图3为本发明实施例1中高硬度和高耐腐蚀性高熵合金在浓度为3.5wt.％NaCl溶液中的极化曲线。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

实施例1

(1)对原料进行预处理进一步除去原料中的杂质，得到高纯原料。

(2)按照摩尔比称量出总质量为55g的混合原料。

(3)将称取好的原料在高真空电弧熔炼炉中反复熔炼，通过吸铸得到高硬度和高耐腐蚀性高熵合金。

本发明中，所述Fe、Ni、Cr、Cu和Al的纯度优选为≥99.9％，形态优选为颗粒。

本发明中，用无水乙醇对Fe、Ni、Cr、Cu和Al金属颗粒进行超声波清洗，得到洁净的金属颗粒。

本发明中，所述熔炼优选在保护气氛中进行，所述保护气氛优选为氩气。

本发明中，所述熔炼优选在熔炼室中进行。本发明优选在熔炼之前对所述熔炼炉进行抽真空，然后通入保护气氛至气阀指针指向0后进行二次抽真空，最后通入保护气氛至气阀指针指向-0.02MPa。

在本发明中，所述抽真空的真空度达到5×10^-4MPa以下。本发明通过将真空度限定为上述范围内可以避免合金在熔炼过程中氧化。

本发明中，所述熔炼的次数优选为4～6次；所述熔炼的电流优选为240～300A；所述熔炼过程中每次熔炼的时间优选为55～65s。

本发明中，在熔炼过程中开启磁搅拌。本发明通过开启搅拌电流保证成分均匀性。

本发明中，吸铸得到的高熵合金冷却的方式优选为随炉冷却。

对实施例1制备出的高熵合金进行显微维氏硬度和电化学性能的检测，具体检测方法如下：

对制备得到的高熵合金样品采用不同型号的砂纸进行粗磨，细磨到2000目后，再使用W2.5金刚石抛光研磨膏在抛光机抛光到表面无划痕后，用酒精冲洗后吹干。使用型号为Empyrean的多功能粉末X射线衍射仪进行XRD测试，测试结果如图1所述。从图中可以发现，随着Al含量的增加，高熵合金从单一的FCC相向FCC+BCC双相结构转变。

利用HXS-1000数字式液晶智能显微硬度计对高熵合金材料进行硬度测试，测试结果如图2所示。从图中可以发现硬度随着Al含量的增加而增加。

利用CorrTest电化学测试系统对高熵合金样品进行电化学腐蚀性能测试，测试结果如图3所示。可见腐蚀电位基本上在-0.3～-0.2V之间。

本发明以FeNiCrCu高熵合金为基体，结合传统合金设计方法，通过调节组分，添加与基体元素原子半径相差较大的Al元素，通过进一步控制熔炼过程中的真空度、保护气氛、熔炼电流大小等制备出具有高硬度和高耐腐蚀性能的高熵合金，提供了一条完整优异性能的高熵合金成分设计及制备的技术路线。

Claims

1.一种不含Co高熵合金材料，其特征在于，其化学式式为FeNiCrCuAl_x，式中x为0～1，各个组元纯度均大于等于99.9％。

2.一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Fe、Ni、Cr、Cu、Al按照不同摩尔比混合进行高真空电弧熔炼，然后吸铸得到高熵合金。

3.根据权利要求如2所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，所采用的Fe、Ni、Cr、Cu、Al的纯度为≥99.9％。

4.根据权利要求如2所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，所述高真空电弧熔炼过程在高纯Ar气环境中进行。

5.根据权利要求如4所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，所述高纯Ar气是指纯度为≥99.9％的Ar气。

6.根据权利要求如2所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，熔炼次数为4～6次。

7.根据权利要求如6所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，熔炼时的电流为240～300A，每次熔炼时间为55～65s。

8.根据权利要求如2所述的一种不含Co高熵合金材料的制备方法，其特征在于，Fe、Ni、Cr、Cu和Al的形态为颗粒。