CN117701972A - 一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金材料制备技术领域，具体公开了一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片及其制备方法，所述高强韧FeCrNi系双相多主元合金片为由Fe、Cr、Ni三种元素按照原子百分含量组成的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀；采用真空电弧炉熔炼工艺制备，通过均匀化退火处理、热机械处理，得到的合金具有BCC相和FCC相的双相结构，抗拉强度强度高达1180MPa，兼顾13％的伸长率。本发明所采用的制备方法操作便捷，易于控制，效果稳定，适用性广，通用性强，所制备的合金具有高强度、高韧性，有望在航空航天、海洋、汽车和石油化工等苛刻工况环境下应用。

Description

一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料制备技术领域，特别是一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片及其制备方法。

背景技术

金属材料在人类历史上一直扮演着重要的角色，其是人类历史上系统的应用研究时间最长，也是目前应用也较为广泛的一种重要材料。金属材料具有高弹性模量、高韧性和强度硬度较高等优点，同时金属材料广泛，种类繁多和加工技术相对成熟等优异的特性，这些优点都决定了金属材料在材料领城中占有极其重要的地位。随着社会进步与科学发展，高强韧、高耐腐蚀性能及良好加工性能材料是工程结构材料的主要发展方向，在航空航天、海洋、汽车和石油等领域有广泛的应用前景。为探索新方向，突破传统的设计理念，研究人员开始向多主元合金的设计进行了大胆地尝试与创新，试图研究出综合性能优异的新型金属材料，由此出现了高熵合金(多主元合金)，为探索一个巨大的合金成分领域打开了新世界的大门。

多主元合金具有传统合金无法达到的独特性能组合，包括高强度和硬度、出色的抗高温软化性、独特的磁性能、卓越的耐腐蚀性和抗氧化性、强抗疲劳性、有吸引力的摩擦学性能、良好的抗蠕变性、在低温下具有出色的辐照耐受性、高热稳定性和出色的机械性能。此外，虽然具有多种合金元素，但多主元合金却能形成单一的固溶体结构，如面心立方(FCC)、体心立方(BCC)等，在力学行为方面可按需进行高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温等优异性能的“定制”。具有体心立方结构的高熵合金室温具有高强度，低塑性；而具有面心立方结构的高熵合金具有优异的塑性，但是室温强度低，通常需要采用复杂的制备工艺来提升强度。因此，研发具面心立方和体心立方双相结构的多主元合金有望实现强度与塑性的优良匹配。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片及其制备方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明的第一个目的是要提供一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片，所述高强韧FeCrNi系双相多主元合金片为由Fe、Cr、Ni三种元素按照原子百分含量组成的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀。

本发明的第二个目的是要提供一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片的制备方法，包括以下步骤：

S1、按Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀中各元素的原子百分含量分别称取预处理后的Fe、Cr、Ni单质；

S2、采用真空电弧炉熔炼成为合金；

S3、熔炼的合金在真空电弧炉内冷却至水冷温度后取出，并进行均匀化退火处理；

S4、将经过均匀化退火处理的合金加工成8.1～8.2mm厚的金属片，然后用120#～600#砂纸磨亮金属片表面，去除氧化层及杂质污渍，使最终金属片厚度为8mm；最后对金属片进行热机械处理：

1)冷变形处理：

将8mm厚的金属片在室温下进行冷轧，总下压量为80％±2％，采用多道次小下压量，每次下压量不超过10％，最终轧制1.6mm厚；

2)热处理：

将冷轧的金属片以到温入炉的方式放入箱式马弗炉中于900℃±5℃保温3min±0.2min，随后取出金属片水淬至室温，即得高强韧FeCrNi系双相多主元合金片。

进一步地，所述步骤S1中，Fe、Cr、Ni单质的纯度均大于99.9％，预处理具体包括：

S11、先将Fe、Cr、Ni单质表面的氧化皮打磨掉；

S12、将打磨好的Fe、Cr、Ni单质放入装有无水乙醇的烧杯中，一同放入超声波清洗仪中清洗10～15分钟，去除金属表面的杂质、油污，最后将Fe、Cr、Ni单质取出风干。

进一步地，所述步骤S2中熔炼具体过程为：

S21、将Ni、Fe、Cr单质依次放入真空电弧炉的水冷铜模熔炼池中的一个铜坩埚中，在另一个铜坩埚中放入钛锭后关闭炉膛；

S22、将炉膛抽真空至3.0E-3Pa以下；

S23、充入0.05～0.06MPa的纯度大于99.997％的度氩气；

S24、先熔炼钛锭观察其冷却后是否变色，若变色，停止熔炼，检查电弧炉的密封性并重新抽真空后换钛锭重复以上操作，若不变色，则开始熔炼合金；

S25、反复熔炼合金4～5次，每次熔炼结束冷却后用机械手进行翻面进行下一次熔炼；在第3次及之后的每次熔炼中，合金熔化后打开电磁搅拌器以使铸锭成分均匀；熔炼完成后，在真空电弧炉内冷却至水冷温度后取出。

进一步地，所述步骤S3中，均匀化退火处理具体包括：

S31、在从真空电弧炉中取出的合金表面涂上耐高温涂层，降低合金表面高温氧化损耗；

S32、将马弗炉升温至1200℃±5℃，再将合金放入，保温24小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明制备的FeCrNi系双相多主元合金片的强度和耐蚀性能均明显优于现有商用超级双相不锈钢(如SAF2507等)。其室温屈服强度高达1180MPa，抗拉强度为1257MPa，远高于常规的商用超级双相不锈钢，同时还兼顾了13％的延伸率。此外，该合金有较高的Cr含量(38％～42％/原子百分比)，具有一定的耐蚀性能。

2、本发明得到的FeCrNi系双相多主元合金片所选用的合金元素价格低廉，其原料成本接近于不锈钢，远低于钛合金、高温合金。

综上所述，本发明提出了基于不锈钢常用的Fe、Cr、Ni三元素作为主元的新型FeCrNi系双相多主元合金片。该合金名义成分为Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀(原子百分比)，采用真空电弧炉熔炼工艺制备，通过均匀化退火处理、热机械处理，得到的合金具有BCC相和FCC相的双相结构，抗拉强度强度高达1180MPa，兼顾13％的伸长率。

本发明所采用的制备方法操作便捷，易于控制，效果稳定，适用性广，通用性强，所制备的合金具有高强度、高韧性，有望在航空航天、海洋、汽车和石油化工等苛刻工况环境下应用。

附图说明

图1为热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的XRD图谱。

图2为热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的电子扫描图片。

图3为热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的EDS元素分析图片。

图4为热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金片的拉伸工程应力—应变曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

下述实施例所采用的原料及试剂均为市购所得；熔炼合金的真空电弧炉采用中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的高真空电弧熔炼及吸铸系统——DHL400进行熔炼制备。该系统属于非自耗炉，主要由电弧熔炼真空室、电弧枪、电弧熔炼电源、五工位水冷铜坩埚、翻转机械手、磁力搅拌、工作气路、系统抽气、真空测量及电气控制系统、安装机台等各部分组成，并配备一套标准模具。

实施例1

本实施例提供了一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片，由Fe、Cr、Ni三种元素按照原子百分含量组成的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀。具体制备过程如下；

1、原料的选择和预处理：选用纯度大于99.9％(质量分数/％)的Fe、Cr、Ni单质进行配料，Fe、Cr、Ni单质配比如表1所示。

表1

配料前需先将金属表面的氧化皮打磨掉。将打磨好的原料放入装有无水乙醇的烧杯中，一同放入超声波清洗仪中清洗10～15分钟，去除金属表面的杂质、油污，最后将原料取出风干。

2、配料计算及称量：确定所需制备原料的总质量为150g，然后按合金名义成分Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀中各元素的原子百分含量计算每种元素所需的质量百分比及具体质量(取小数点后两位，单位g)，如表1所示。采用电子天平称量三次以保证结果的准确性，并且要求每次称量的结果与计算的标准质量之差不得大于±0.02g。

3、熔炼设备要求及具体操作：按照该合金中各元素熔点的高低，由低到高依次将Ni、Fe、Cr单质依次放入水冷铜模熔炼池中的一个铜坩埚中，在另一个铜坩埚中放入钛锭后关闭炉膛；打开机械泵，抽真空至3.0E0Pa以下；打开电磁阀，打开分子泵，抽真空至3.0E-3Pa以下，达标后依次关闭电磁阀，分子泵；充入0.05～0.06Pa高纯度氩气(纯度大于99.997％)；先熔炼钛锭观察其冷却后是否变色，若变色，停止熔炼，检查电弧炉的密封性并重新抽真空后换钛锭重复以上操作，若不变色，则可以熔炼合金；反复熔炼4～5次，每次熔炼结束冷却后用机械手进行翻面进行下一次熔炼。在第3次及之后的每次熔炼中，合金熔化后需打开电磁搅拌器以使铸锭成分均匀。熔炼完成后，使其在电弧炉内冷却至水冷温度后取出。

4、合金的均匀化处理：均匀化处理前需要在铸锭表面涂上耐高温涂层，降低合金表面高温氧化损耗。先将马弗炉升温至1200℃，再将铸锭放入，均匀化退火温度为1200℃(±5℃)，时间为24小时。

5、合金的式样制备及热机械处理：先将经过均匀化退火处理的铸锭用电火花线切割机加工成8.1～8.2mm的金属片。然后用低倍数(120#～600#)砂纸磨亮金属片表面，去除氧化层及杂质污渍，最终金属片厚8mm。冷变形处理：将8mm厚的金属片在室温下进行冷轧，总下压量为78～82％，采用多道次小下压量，每次下压量不超过10％，轧制1.6mm厚。将冷轧的金属片以到温入炉的方式放入箱式马弗炉中保温一段时间，进行热处理，热处理温度为900℃(±5℃)，热处理时间3分钟(±0.2min)，随后取出水淬至室温，即得高强韧FeCrNi系双相多主元合金片。

实施例2

对实施例1制备的高强韧FeCrNi系双相多主元合金片进行性能测试：

1、组织分析：

将热机械处理得到的试样用电火花线切割机切取10mm×10mm×1.6mm的电子扫描式样。将试样用600#～3000#的砂纸进行打磨。经机械抛光后，在室温下进行电化学抛光，100mL抛光液为90mL H₂ClO₄+10mL C₂H₅OH，腐蚀电压为30V，时间为20～30s。电化学抛光后，用王水进行腐蚀，80mL腐蚀液为60mL HCl+20mL HNO₃，时间为10～15s。采用D/max2200PC型X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD，CuKα)对试样的晶体结构进行表征，扫描角度为20°～100°，扫描速率为10(°)/min。使用JSM-IT800场发射扫描电子显微镜和能谱仪分析试样的微观结构和化学成分。

图1是实施例1热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的XRD图谱，从图1中可以看出该合金具有FCC和BCC双相结构；

图2是实施例1热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的电子扫描图片，由图2可知，热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金内组织为黑色区域和白色区域组成，其中表面较为光滑，内含颗粒脱落的坑为黑色区域，白色区域为表面浮凸不规整，由团簇状、细条和长条状组成。

图3是实施例1热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金的EDS元素分析图片。由图3可知，合金内黑色区域富含Ni元素，而Cr元素富集于白色区域。

2、力学性能测试：

将实施例1机械处理得到的试样用电火花线切割机切取两个标准狗骨拉伸试样，所采用的的设备是Bairoe-5 KN(视频引伸计)力学试验机。拉伸应变速率为0.6mm/min。试验开始前需要将标准拉伸试验标距段打磨光滑无划痕，然后用螺旋测微器测量出试样标距段的宽度和厚度，测量三次取平均值。测试时，首先将试样下端夹紧，保持试样放直。开启试样保护后夹紧上端，然后清零。输入拉伸试样标距段的宽度和厚度后开始测试。每次测试开始前均需要清零。得到拉伸数据，若三次结果相差不大，用origin软件绘制该合金片的拉伸应力-应变曲线。

图4是热机械处理的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀多主元合金片的拉伸工程应力—应变曲线图，由图4可知，该合金片的屈服强度约为1180MPa，断裂强度约为1257MPa，伸长率约为13％。

综上所述，本发明制备的高强韧FeCrNi系双相多主元合金片Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀具有BCC相和FCC相的双相结构，抗拉强度强度高，同时还具有良好的伸长率。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片，其特征在于：所述高强韧FeCrNi系双相多主元合金片为由Fe、Cr、Ni三种元素按照原子百分含量组成的Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀。

2.一种高强韧FeCrNi系双相多主元合金片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按Fe₄₀Cr₄₀Ni₂₀中各元素的原子百分含量分别称取预处理后的Fe、Cr、Ni单质；

S2、采用真空电弧炉熔炼成为合金；

S3、熔炼的合金在真空电弧炉内冷却至水冷温度后取出，并进行均匀化退火处理；

S4、将经过均匀化退火处理的合金加工成8.1～8.2mm厚的金属片，然后用120#～600#砂纸磨亮金属片表面，去除氧化层及杂质污渍，使最终金属片厚度为8mm；最后对金属片进行热机械处理：

1)冷变形处理：

将8mm厚的金属片在室温下进行冷轧，总下压量为80％±2％，采用多道次小下压量，每次下压量不超过10％，最终轧制1.6mm厚；

2)热处理：

将冷轧的金属片以到温入炉的方式放入箱式马弗炉中于900℃±5℃保温3min±0.2min，随后取出金属片水淬至室温，即得高强韧FeCrNi系双相多主元合金片。

3.根据权利要求2所述的高强韧FeCrNi系双相多主元合金片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，Fe、Cr、Ni单质的纯度均大于99.9％，预处理具体包括：

S11、先将Fe、Cr、Ni单质表面的氧化皮打磨掉；

S12、将打磨好的Fe、Cr、Ni单质放入装有无水乙醇的烧杯中，一同放入超声波清洗仪中清洗10～15分钟，去除金属表面的杂质、油污，最后将Fe、Cr、Ni单质取出风干。

4.根据权利要求2所述的高强韧FeCrNi系双相多主元合金片的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中熔炼具体过程为：

S21、将Ni、Fe、Cr单质依次放入真空电弧炉的水冷铜模熔炼池中的一个铜坩埚中，在另一个铜坩埚中放入钛锭后关闭炉膛；

S22、将炉膛抽真空至3.0E-3Pa以下；

S23、充入0.05～0.06MPa的纯度大于99.997％的度氩气；

S24、先熔炼钛锭观察其冷却后是否变色，若变色，停止熔炼，检查电弧炉的密封性并重新抽真空后换钛锭重复以上操作，若不变色，则开始熔炼合金；

S25、反复熔炼合金4～5次，每次熔炼结束冷却后用机械手进行翻面进行下一次熔炼；在第3次及之后的每次熔炼中，合金熔化后打开电磁搅拌器以使铸锭成分均匀；熔炼完成后，在真空电弧炉内冷却至水冷温度后取出。

5.根据权利要求2所述的高强韧FeCrNi系双相多主元合金片的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，均匀化退火处理具体包括：

S31、在从真空电弧炉中取出的合金表面涂上耐高温涂层，降低合金表面高温氧化损耗；

S32、将马弗炉升温至1200℃±5℃，再将合金放入，保温24小时。