一種四方晶系結構的輕質高熵合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及輕質高強合金設計加工領域，具體地說為一種獲得高強度的輕質高熵合金的方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的合金系，都是以一種或兩種元素作為主要組元，并添加少量其它元素來獲得良好的組織以及性能?，F(xiàn)有合金諸如鋼鐵、鋁合金、鈦合金以及高溫合金，金屬間化合物等，都屬于傳統(tǒng)合金的范疇。目前關于晶體相的產生、組織與性能的理論研宄也局限于這些一種或兩種主要組元的構架的合金系。
[0003]高熵合金是由多種元素作為主要的組元，由五種以上主要組元組成，每種組元的含量不超過35at.%，擺脫了傳統(tǒng)合金以一種或兩者金屬元素為主的傳統(tǒng)觀念。高熵效應給多組元合金帶來了一系列優(yōu)異的性能，如高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕、高電阻率等。
[0004]但是，目前高熵合金主元素的大多選擇密度且熔點較高的Co，Cr, Fe，Ni，Ti等元素，應用在汽車，航空航天等領域有極其嚴重的能源和資源浪費。這些元素形成的高熵合金為面心立方(FCC)或者體心立方(BCC)結構。如何通過合金設計獲得輕質高強高熵合金成為目前研宄學者追求的目標。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有高熵合金主要組成元素多為高熔點、高密度的元素的局限，本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種四方晶系結構的輕質高熵合金及其制備方法；其合金組織組成相為具有四方晶系的過飽和固溶體相，具有超高800MPa的壓縮屈服強度。
[0006]本發(fā)明采用的技術方案為一種四方晶系結構的輕質高熵合金，其組成成分為:A1，Mg，Ca，Li和Cu，各個組成成分的摩爾比為:1:1:1:1:1。
[0007]如上所的四方晶系結構的輕質高熵合金的制備方法，其以等摩爾比的輕質合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作為研宄對象，通過預合金的熔煉，最后通過銅模內鑄造或者甩帶的方式獲得高熵合金材料；其具體過程如下:
[0008]I)、選取純鎂、鈣、銅和鋁-鋰中間合金，其中Al，Mg，Ca，Li和Cu的摩爾比為:1:1:1:1:1 ；
[0009]2)、在添加覆蓋劑的前提下在電阻爐里進行Mg的熔化，電阻爐設定溫度為965-980K ;熔煉時間為15-25分鐘；
[0010]3)、向電阻爐內添加Ca和Cu元素，熔煉溫度提高到1000-1050K進行精煉合金化，熔煉時間為35-45分鐘；將電子爐的爐溫降低到980-990K，進行澆注成圓棒預制合金鑄錠;
[0011]4)、將步驟3)制得的鎂-鈣-銅預合金錠和鋁-鋰中間合金通過在真空爐中真空冶煉的方式進行合金化，真空冶煉的熔體通過旋轉銅模以甩帶的方式制成薄片。
[0012]所述真空爐中的真空度大于KT3Pa ;熔煉溫度為970-80K，熔煉時間為25_35分鐘。
[0013]所述旋轉銅模以甩帶的凝固速率大于104k/s。
[0014]經過X-射線衍射分析(XRD)分析結果，可得通過快速凝固以后，合金的主要組成相為四方晶系結構的過飽和固溶體。通過微壓縮技術，測得Al-Mg-Ca-L1-Cu薄帶的壓縮強度為 836MPa。
[0015]本發(fā)明具有如下的優(yōu)點及有益效果:
[0016]I)、采用熔點和密度較低的合金元素Al，Mg，Ca，Li, Cu作為主要的合金化元素，實現(xiàn)了輕質化目的，節(jié)約了能源，降低了成本。
[0017]2)、應用預合金體的熔煉以及后續(xù)甩帶的方式進行制備高熵合金，預合金體通過電阻爐結合覆蓋劑制備而成，具有工藝相對簡單的優(yōu)點。
[0018]3)、制備得到的高j:商合金薄片具有具有四方晶系結構(tetragonal system)的過飽和固溶體相，具有超高800MPa的壓縮屈服強度。合金開具有極高比強度，可加工成多種形式的產品，在汽車、3C產業(yè)和航空航天上有廣泛的應用。
[0019]4)、高熔點元素加入量為微量，故而合金的成本很低。材料制備工藝簡單，合金采用常規(guī)的工藝即可實現(xiàn)。產業(yè)化投資對于一般工廠可利用現(xiàn)有設備即可，投資低廉。
[0020]5)、純Al，Mg，Ca，Li以及Cu元素合金價格比較便宜，合金的成本很低。材料制備工藝相對簡單，可實現(xiàn)產業(yè)化。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例的Al-Mg-Ca-L1-Cu高熵合金的XRD分析；
[0022]圖2為本發(fā)明實施例的Al-Mg-Ca-L1-Cu高熵合金的壓縮曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細地說明:
[0024]本發(fā)明將純Al，Mg，Ca，Li以及Cu元素按等摩爾比進行合金的配制；首先以純元素鎂、鈣、銅元素在電阻爐中添加覆蓋劑進行預合金錠冶煉，然后預合金錠和鋁-鋰中間合金通過真空冶煉方式進行合金化，熔體通過銅模內鑄造或者甩帶的方式制成高熵合金材料。制備得到的高摘合金薄片具有具有四方晶系結構(tetragonal system)的過飽和固溶體相。將獲得材料進行室溫壓縮，測得壓縮屈服強度大于SOOMPa.
[0025]實施例
[0026]采用純Mg，Ca，Cu元素，按等摩爾比進行預合金的配制。首先，在添加覆蓋劑的前提下在電阻爐里進行Mg的熔化，電阻爐設定溫度為973K。熔煉時間為20分鐘。然后添加Ca和Cu元素，熔煉溫度提高到1023K進行精煉合金化，熔煉時間為40分鐘。然后，把爐溫降低到983K，進行澆注成圓棒預制合金鑄錠。
[0027]預制合金錠和Al-Li中間合金按等摩爾比進行第二次合金配制。然后在真空爐中進行冶煉，真空度達到10_3Pa以上。熔煉溫度為973K，熔煉時間為30分鐘，然后在直徑為5mm的銅模內凝固或者甩帶，獲得快速凝固的材料。圖2為Al-Mg-Ca-L1-Cu薄帶的XRD分析結果，可見通過快速凝固以后，合金的主要組成相為四方晶系結構的過飽和固溶體，說明高熵效應得到充分的發(fā)揮。通過室溫壓縮，測得材料的壓縮強度為836MPa。
【主權項】
1.一種四方晶系結構的輕質高熵合金，其特征在于:其組成成分為:A1，Mg，Ca，Li和Cu，各個組成成分的摩爾比為:1:1:1:1:1。
2.如權利要求1所述的四方晶系結構的輕質高熵合金的制備方法，其特征在于:其以等摩爾比的輕質合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作為研宄對象，通過預合金的熔煉，最后通過銅模內鑄造或者甩帶的方式獲得高熵合金材料；其具體過程如下: 1)、選取純鎂、鈣、銅和鋁-鋰中間合金，其中Al，Mg，Ca，Li和Cu的摩爾比為:1:1:1:1:1 ； 2)、在添加覆蓋劑的前提下在電阻爐里進行Mg的熔化，電阻爐設定溫度為965-980K;熔煉時間為15-25分鐘； 3)、向電阻爐內添加Ca和Cu元素，熔煉溫度提高到1000-1050K進行精煉合金化，熔煉時間為35-45分鐘；將電子爐的爐溫降低到980-990K，進行澆注成圓棒預制合金鑄錠； 4)、將步驟3)制得的鎂-鈣-銅預合金錠和鋁-鋰中間合金通過在真空爐中真空冶煉的方式進行合金化，真空冶煉的熔體通過旋轉銅模以甩帶的方式制成薄片。
3.根據(jù)權利要求2所述的四方晶系結構的輕質高熵合金的制備方法，其特征在于:所述真空爐中的真空度大于KT3Pa ;熔煉溫度為970-80K，熔煉時間為25-35分鐘。
4.根據(jù)權利要求2所述的四方晶系結構的輕質高熵合金的制備方法，其特征在于:所述旋轉銅模以甩帶的凝固速率大于104k/S。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制備組成相為四方晶系結構的輕質高熵合金的方法。首先，選取等摩爾輕質合金元素Al，Mg，Ca，Li以及Cu作為研究對象，通過預合金體的熔煉結合銅模鑄造或者甩帶快速凝固的方式制備塊體以及薄片材料。得到合金材料的主要組成相為四方晶系結構的過飽和固溶體相,合金具有高于800MPa的壓縮強度。
【IPC分類】C22C1-03, C22C9-01
【公開號】CN104611604
【申請?zhí)枴緾N201410699431
【發(fā)明人】尹可心, 武保林, 杜興蒿, 魏成賓, 王大鵬, 萬剛
【申請人】沈陽航空航天大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年11月26日