CN117626091A - 一种高热稳定性的软磁高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高热稳定性的软磁高熵合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。高热稳定性的软磁高熵合金的化学式为Fe₄₀Co_{40‑ x}Ni₁₀Al₁₀Si_x，其中0≤x≤10，下标为原子百分比。高热稳定性的软磁高熵合金在高温长时间热处理条件下，饱和磁化强度≥155emu/g，矫顽力≤3Oe。本发明还公开了一种高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，包括如下步骤：按照配比将Fe、Co、Ni、Al、Si按照熔点高低堆放后采用真空电弧熔炼熔铸成合金铸锭；对所述合金铸锭在不同温度以及时间下进行热处理。本发明所述合金的磁性能优越，并具有优良的力学性能，在发电机、电动机领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高热稳定性的软磁高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性的软磁高熵合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。

背景技术

自高熵合金这一合金理念提出以来，高熵合金因其独特的成分设计理论、优异的力学性能、耐腐蚀性、抗氧化性和高温稳定性而被研究人员广泛关注。不同于传统的以一种元素为主元的合金，高熵合金以多种元素为主元，因此又被称为多主元合金。近年来，高熵合金的功能性特性也逐渐被发掘出来，其中磁性能成为了研究人员的重点关注之一，软磁高熵合金不仅具有较好的软磁性能，还兼具优良的力学性能和高温稳定性。

随着新能源汽车行业的快速发展，其电机铁芯的工作条件也愈发苛刻。不仅要满足高速化、轻量化、高效率的条件，还要具备在高频和高温条件下稳定运行的能力。这就要求电机铁芯材料具有高强度、高饱和磁化强度、高电阻率和高居里温度。软磁高熵合金不仅具备高熵合金普遍拥有的优异的力学性能和高温稳定性，还具有较好的综合软磁性能，有望发展成为新型电机铁芯材料。

虽然软磁高熵合金具有优异的力学性能，但是目前其饱和磁化强度和矫顽力与传统软磁材料相比仍然有很大的进步空间，还未展现出实际工程应用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高热稳定性的软磁高熵合金及其制备方法，通过添加Si元素降低合金的混合焓以及磁致伸缩系数，从而提升合金的热稳定性并进一步降低合金的矫顽力。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种高热稳定性的软磁高熵合金，所述软磁高熵合金的化学式为Fe₄₀Co_{40- x}Ni₁₀Al₁₀Si_x，其中0≤x≤10，下标为原子百分比。

优选地，所述软磁高熵合金的化学式为Fe₄₀Co_40-xNi₁₀Al₁₀Si_x，其中6≤x≤10，下标为原子百分比。

本发明还提供了一种高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Fe、Co、Ni、Al、Si原料按照原子百分比配制；

(2)将步骤(1)中配制的原料放入熔炼炉中进行熔炼，得到合金铸锭；

(3)将步骤(2)中得到的合金铸锭进行高温热处理，然后水淬至常温，得到高热稳定性的软磁高熵合金；所述高温热处理的温度为700℃-950℃，时间为2h-24h。

优选地，步骤(1)中，所述Fe、Co、Ni、Al、Si原料纯度均大于99.5wt.％。

优选地，步骤(2)中，按照元素熔点由低到高，将所述Al、Si、Ni、Co、Fe原料从下到上依次放入熔炼炉中。

优选地，所述熔炼炉为真空电弧熔炼炉。

优选地，熔炼前先将真空电弧熔炼炉中抽真空至6×10^-3MPa以下，然后充Ar气至0.05-0.06MPa。

优选地，熔炼时的电流为100-400A，熔炼时间为120-180秒。

优选地，熔炼时需要将铸锭反复翻转熔炼4-6次。

优选地，进行高温热处理前将合金铸锭放入真空玻璃管中进行抽真空，然后对真空玻璃管进行加热封口，然后对处在真空状态下的合金铸锭进行高温热处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的高热稳定性的软磁高熵合金经过高温(700℃-950℃)长时间(2h-24h)热处理后，晶粒没有剧烈增大，并且相结构始终没有发生变化，热稳定性优异。

(2)本发明的高热稳定性的软磁高熵合金的磁性能优异。经过高温长时间热处理后，矫顽力均降低，且本发明得到的高热稳定性的软磁高熵合金为现有技术中综合磁性能最佳的软磁高熵合金。

(3)本发明的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法和热处理工艺操作简单，通过对真空度的掌握和保护气体的通入，保证在制备和热处理过程中合金材料不会被氧化，保证了合金成分的精确。

(4)本发明的高热稳定性的软磁高熵合金中不含贵金属，且原料均无毒无害、成本低廉、容易获取。

附图说明

图1为实施例1铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的XRD谱图。

图2为实施例1铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的金相组织及其晶粒尺寸图，其中，(a)为铸态Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的金相组织图，(b)为铸态Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的晶粒尺寸图，(c)为热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的金相组织图，(d)为热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的晶粒尺寸图。

图3为实施例1铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的磁滞回线图。

其中，(a)为铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的磁滞回线，(b)为该磁滞回线的放大图，图中横坐标为施加磁场，纵坐标为磁化强度。

图4为实施例2铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的XRD谱图。

图5为实施例2铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的金相组织及其晶粒尺寸图，其中，(a)为铸态Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的金相组织图，(b)为铸态Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的晶粒尺寸图，(c)为热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的金相组织图，(d)为热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的晶粒尺寸图。

图6为实施例2铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的磁滞回线图。其中，(a)为铸态和热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的磁滞回线，(b)为该磁滞回线的放大图，图中横坐标为施加磁场，纵坐标为磁化强度。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将更详细地描述本发明的示例性实施例。应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例公开了一种高热稳定性的软磁高熵合金，其通式为Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈。

一种高热稳定性的软磁Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金，其制备方法如下：

第一步，选取纯度为99.5wt％以上的Fe、Co、Ni、Al、Si为原料，按照原子百分比Fe:Co:Ni:Al:Si＝40:32:10:10:8进行配料。将配制好的40g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，放入顺序为：按照元素熔点由低到高，将Al、Si、Ni、Co、Fe原料从下到上依次放入到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中。然后抽真空至6×10^-3MPa，再向炉腔内充Ar气至真空度为0.05MPa。然后在Ar气保护氛围下进行熔炼，熔炼时合金锭反复熔炼五次，保证成分均匀，得到合金铸锭。

第二步，将熔炼完成的合金锭切割成5mm×4mm×1mm的薄片，对高熵合金薄片样品进行粗磨。然后将高熵合金薄片样品放入到真空玻璃管中进行抽真空，真空度抽至2×10^{- 3}MPa后对真空玻璃管进行加热封口。

第三步，当热处理炉内温度升高至950℃时，将装有高熵合金薄片样品的真空玻璃管放在热处理炉内，在950℃保温24h后迅速将样品取出，水淬至常温，即得到高热稳定性的软磁高熵合金。

对铸态(第一步得到的合金铸锭)及热处理后的Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金薄片(第三步得到的软磁高熵合金)样品进行XRD分析，如图1所示，铸态时及热处理后的Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金均为单一BCC相结构。说明本发明对合金铸锭进行高温长时间热处理后，相结构没有发生变化。

对铸态及热处理后的Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金薄片样品进行金相微观组织分析，如图2所示，铸态时及热处理后的Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金均为等轴晶结构，平均晶粒尺寸由149.2μm增加到250.7μm。说明本发明对合金铸锭进行高温长时间热处理后，晶粒没有剧烈变化。

对铸态及热处理后的Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金薄片样品进行磁性能分析，如图3所示，铸态时Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的饱和磁化强度M_S＝168emu/g，矫顽力H_C＝1.39Oe，热处理后Fe₄₀Co₃₂Ni₁₀Al₁₀Si₈高熵合金的饱和磁化强度M_S＝173emu/g，矫顽力H_C＝1.01Oe。

实施例2

本实施例公开了一种高热稳定性的软磁高熵合金，其通式为Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀。

一种高热稳定性的软磁Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金，其制备方法如下：

第一步，选取纯度为99.5wt％以上的Fe、Co、Ni、Al、Si为原料，按照原子百分比Fe:Co:Ni:Al:Si＝40:30:10:10:10进行配料。将配制好的40g混合料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，放入顺序为：按照元素熔点由低到高，将Al、Si、Ni、Co、Fe原料从下到上依次放入到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中。然后抽真空至6×10^-3MPa，再向炉腔内充Ar气至真空度为0.05MPa。然后在Ar气保护氛围下进行熔炼，熔炼时合金锭反复熔炼五次，保证成分均匀，得到合金铸锭。

第二步，将熔炼完成的合金锭切割成5mm×4mm×1mm的薄片，对高熵合金薄片样品进行粗磨。然后将高熵合金薄片样品放入到真空玻璃管中进行抽真空，真空度抽至2×10^{- 3}MPa后对真空玻璃管进行加热封口。

第三步，当热处理炉内温度升高至950℃时，将装有高熵合金薄片样品的真空玻璃管放在热处理炉内，在950℃保温10h后迅速将样品取出，水淬，得到合金铸锭。

对铸态及热处理后的Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金薄片样品进行XRD分析，如图4所示，铸态时及热处理后的Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的相结构没有发生变化。说明本发明对合金铸锭进行高温长时间热处理后，相结构没有发生变化。

对铸态及热处理后的Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金薄片样品进行金相微观组织分析，如图5所示，铸态时及热处理后的Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金均为等轴晶结构，平均晶粒尺寸由71.9μm增加到105.3μm。说明本发明对合金铸锭进行高温长时间热处理后，晶粒没有剧烈变化。

对铸态及热处理后的Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金薄片样品进行磁性能分析，如图6所示，铸态时Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的饱和磁化强度M_S＝166emu/g，矫顽力H_C＝1.80Oe，热处理后Fe₄₀Co₃₀Ni₁₀Al₁₀Si₁₀高熵合金的饱和磁化强度M_S＝161emu/g，矫顽力H_C＝1.36Oe。

表1为实施例1和实施例2的高热稳定性的软磁高熵合金与其他软磁高熵合金在铸态下及高温长时间热处理后的磁性能对比(其中加粗的合金成分为本发明的实施例合金)。

表1

表1为实施例1和实施例2的高热稳定性的软磁高熵合金与其他软磁高熵合金在铸态下及热处理后的磁性能对比。本实例的高热稳定性的软磁高熵合金的综合磁性能优异于迄今报道的几乎所有的软磁高熵合金。高的铁磁性元素(Fe、Co、Ni)含量保证了本实例的高热稳定性的软磁高熵合金的高饱和磁化强度，Al元素的添加促进了铁磁性BCC相的形成，Si元素的添加降低了本实例的高热稳定性的软磁高熵合金的磁致伸缩系数，从而使矫顽力显著降低。

本实例的高热稳定性的软磁高熵合金在高温长时间热处理条件下相结构没有发生变化，微观结构始终为均匀的等轴晶结构，并且晶粒尺寸随着热处理时间的增加增长缓慢，表明本发明提供的高热稳定性的软磁高熵合金具有优异的热稳定性。Si元素的添加降低了本实例的高热稳定性的软磁高熵合金的混合焓，使得元素扩散需要吸收更多的热量，从而提高合金的热稳定性。

以上所述实施例仅对本发明的实施方式进行了详细说明，但非对本发明进行限制，对本领域的普通技术人员来说，依据本发明的构思及提供的思想，在具体实施方面还可以进行若干变形与改进，而这些变形与改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高热稳定性的软磁高熵合金，其特征在于，所述软磁高熵合金的化学式为Fe₄₀Co_40-xNi₁₀Al₁₀Si_x，其中0≤x≤10，下标为原子百分比。

2.根据权利要求1所述的高热稳定性的软磁高熵合金，其特征在于，所述软磁高熵合金的化学式为Fe₄₀Co_40-xNi₁₀Al₁₀Si_x，其中6≤x≤10，下标为原子百分比。

3.一种权利要求1或2所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将Fe、Co、Ni、Al、Si原料按照原子百分比配制；

(2)将步骤(1)中配制的原料放入熔炼炉中进行熔炼，得到合金铸锭；

(3)将步骤(2)中得到的合金铸锭进行高温热处理，然后水淬至常温，得到高热稳定性的软磁高熵合金；所述高温热处理的温度为700℃-950℃，时间为2h-24h。

4.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Fe、Co、Ni、Al、Si原料纯度均大于99.5wt.％。

5.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，按照元素熔点由低到高，将所述Al、Si、Ni、Co、Fe原料从下到上依次放入熔炼炉中。

6.根据权利要求5所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼炉为真空电弧熔炼炉。

7.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼前先将熔炼炉中抽真空至6×10^-3MPa以下，然后充Ar气至0.05-0.06MPa。

8.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼时的电流为100-400A，熔炼时间为120-180秒。

9.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼时需要将铸锭反复翻转熔炼4-6次。

10.根据权利要求3所述的高热稳定性的软磁高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，进行高温热处理前将合金铸锭放入真空玻璃管中进行抽真空，然后对真空玻璃管进行加热封口，然后对处在真空状态下的合金铸锭进行高温热处理。