一種強韌性匹配良好的高熵合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種強韌性匹配良好的高熵合金及其制備方法，屬于金屬材料及其制備領(lǐng)域。所述高熵合金成分按原子數(shù)比計為AlaTibCrcFedNieVf，其中，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0.9～1.0，d＝0.8～1.0，e＝1.5～3.0，f＝0.1～0.3；所述制備方法步驟依次為去除氧化皮、超聲清洗、稱料、熔煉。所述合金具有FCC結(jié)構(gòu)，具有良好的強韌性匹配，力學(xué)性能優(yōu)異；所述制備方法易操作且安全可靠，經(jīng)濟實用。
【專利說明】
一種強韌性匹配良好的高熵合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明公開了一種強韌性匹配良好的高熵合金及其制備方法，屬于金屬材料及其制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高熵合金是近年來發(fā)展起來的有別于傳統(tǒng)合金的新型合金材料，它由5?13種主要元素組成，組成元素具有相等或近似相等的原子比。多主元高熵合金凝固后，不會形成復(fù)雜的金屬間化合物，而是形成簡單的FCC或BCC固溶體。高熵合金具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴散效應(yīng)以及性能上的雞尾酒效應(yīng)。利用這些效應(yīng)，合理設(shè)計合金的成分，可以獲得高硬度、高強度，良好的耐磨性、耐腐蝕性以及抗高溫氧化性等良好的綜合特性。
[0003]盡管高熵合金性能優(yōu)異，但普遍強韌性匹配較差。例如，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金的拉伸塑形可達(dá)60%，但其抗拉強度卻低于500MPa;而AlC0CrFeNiT1.5高熵合金的壓縮強度高達(dá)3200MPa，但幾乎無拉伸塑性。Ti元素和Al元素的微量加入都能促進(jìn)第二相的析出，從而強化高熵合金性能，但是并不是對所有的高熵合金都能提高強韌性匹配。如對AlFeCrCoCu合金，加入Ti元素可顯著提升合金的硬度，但幾乎無拉伸塑性。已有的AlCrFeNiV體系高熵合金，雖然具有一定的強韌性匹配效果，但是對于實際應(yīng)用還不足夠。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種強韌性匹配良好的高熵合金，所述合金力學(xué)性能優(yōu)異，兼具高強度與大塑性。
[0005]本發(fā)明的目的之二在于提供了一種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，所述方法操作簡單，安全可靠，經(jīng)濟實用。
[0006]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供以下技術(shù)方案。
[0007]—種強韌性匹配良好的高熵合金，所述高熵合金按原子數(shù)比計為八131^0丨6<]附(^，其中，& = 0?0.5沁=0?0.5，。= 0.9?1.0，(1 = 0.8?1.0，6 = 1.5?3.0，f = 0.1 ?0.3。
[0008]所述a、b、c、d、e、f■的取值優(yōu)選 a = 0.2?0.4，b = 0.1?0.3，c = 0.9，d=1.0，e = 2.0
?3.0，f = 0.2ο
[0009]—種本發(fā)明所述的強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，所述方法具體步驟如下:
[0010]步驟1:將潔凈的原料:Al、T1、Cr、Fe、Ni和V按熔點由低至高的順序從下至上堆放于熔煉爐內(nèi)，真空度小于或等于1.0X 10—3MPa時，充入保護(hù)氣體，進(jìn)行熔煉，同時攪拌，得到合金錠。
[0011 ]步驟2:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟I中的熔煉和攪拌過程，確保成分均勻，得到所述具有良好強韌性匹配的高熵合金。
[0012]其中，所用原料Al、T1、Cr、Fe、Ni和V的純度大于或等于99.7wt%。
[0013]優(yōu)選的，使用砂紙和砂輪機對所選原料進(jìn)行打磨，清洗，得到潔凈的原料；
[0014]優(yōu)選的，清洗時使用丙酮超聲清洗;所述攪拌為磁場攪拌;所述保護(hù)氣體為氬氣；所述熔煉爐優(yōu)選高真空非自耗電弧熔煉爐；
[0015]優(yōu)選的，將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟2中的熔煉和攪拌過程兩次以上。
[0016]有益效果
[0017](I)本發(fā)明所述高熵合金屈服強度明顯提升，獲得了更好的強韌性匹配，力學(xué)性能優(yōu)異；
[0018](2)本發(fā)明所選原料均無毒害，且易獲取；
[0019](3)本發(fā)明所述制備方法易操作且安全可靠，經(jīng)濟實用。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例制備得到的高熵合金的X射線衍射(XRD)譜圖；
[0021]圖2為實施例1制備得到的Alt^T1.1Cr0.gFeNiuVw高熵合金的光學(xué)顯微鏡照片；
[0022]圖3為實施例1制備得到的Al0.Jith1Crth9FeNi2.5V0.2高熵合金的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;
[0023]圖4為實施例2制備得到的AlQ.3TiQ.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的光學(xué)顯微鏡照片；
[0024]圖5為實施例2制備得到的AlQ.3TiQ.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;
[0025]圖6為實施例3制備得到的AlQ.2TiQ.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的光學(xué)顯微鏡照片；
[0026]圖7為實施例3制備得到的AlQ.2TiQ.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;
[0027]圖8為實施例制備得到的高熵合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0029]以下實施例中所使用的高真空非自耗電弧熔煉爐為中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的DHL-400型高真空非自耗電弧熔煉爐；
[0030]對所得高熵合金的力學(xué)性能測試和組織結(jié)構(gòu)的表征信息如下:
[0031 ] (I)物相分析:采用日本理學(xué)公司SMARTLAB X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，工作電壓和電流分別為40kV和190mA，X射線源為Cu Κα(λ= =0.1542nm)射線。
[0032](2)微觀組織:采用德國Ax1 observer Alm型研究級金相顯微鏡和HITACHIS4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織表征；
[0033](3)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能測試:采用CMT4305型微機電子萬能試驗機進(jìn)行室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗，測試試樣依據(jù)金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T228.1-2010)國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定制成工字試樣，應(yīng)變率10—3S.1;
[0034]以下實施例中所述單質(zhì)Al、T1、Cr、Fe、Ni和V的純度均為99.7wt.%。
[0035]實施例1
[0036]—種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，所述高熵合金按原子數(shù)比計為Al0.4T1.1Cr0.9FeNi2.5V().2，所述方法具體步驟如下:
[0037]步驟1:使用60號SiC砂紙和砂輪機對單質(zhì)Al、T1、Cr、Fe、Ni和V進(jìn)行打磨，得到潔凈的原料，使用丙酮超聲清洗，稱得總質(zhì)量為80g的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V，再次超聲清洗。
[0038]步驟2:將超聲清洗后的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V按熔點由低至高的順序從下至上堆放于高真空非自耗電弧熔煉爐內(nèi)，真空度小于或等于1.0 X 10—3MPa時后，充入氬氣保護(hù)，進(jìn)行電弧熔煉，得到合金液后，磁場攪拌，得到合金錠。
[0039]步驟3:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟2中的熔煉和攪拌過程兩次，得到本實施例所述Al0.4T1.1Cr().9FeNi2.5V().2 尚熵合金。
[0040]用線切割工藝將所得AlMTiuCr0.gFeNiuVt^高熵合金進(jìn)行切割，金相樣品的尺寸為4 X 4 X 3 (單位:mm)，XRD樣品的尺寸為1 X 1 X 3 (單位:mm)，拉伸樣品依據(jù)金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T 228.1-2010)國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定制成工字件試樣。隨后對金相試樣進(jìn)行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕，對XRD試樣和拉伸試樣進(jìn)行粗磨，對拉伸樣品用丙酮進(jìn)行超聲清洗兩次，得到Al0.4T1.1Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待測樣。
[0041]對所述Al0.ATith1Cn9FeNi2.5V0.2高熵合金測試樣進(jìn)行物相分析，其X射線衍射(XRD)譜圖如圖1所示，衍射晶面指數(shù)平方和之比為3:4:8:11，可知六1().411().10().抑附2.5￥0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶體相組成。
[0042]對所述々1().41'；[().10().9?6附2.5￥().2高熵合金測試樣進(jìn)行微觀組織分析，其光學(xué)顯微鏡照片如圖2所示，掃描電子顯微鏡(SEM)如圖3所示，可知，部分析出物沿晶界析出；其中，圖2中白色區(qū)域為基體相，黑色區(qū)域為析出相。
[0043]對所述Al0.JitL1CrtL9FeNi2.5V0.2高熵合金測試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能測試，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示，可知Al0.JitL1Crth9FeNi2.5V0.2高熵合金的室溫拉伸屈服強度為545MPa，抗拉強度為766MPa，斷后延伸率為47.7%。
[0044]實施例2
[0045]—種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，所述高熵合金按原子數(shù)比計為Al0.3T1.2Cr0.9FeNi2.5V().2，所述方法具體步驟如下:
[0046]步驟1:使用60號SiC砂紙和砂輪機對單質(zhì)Al、T1、Cr、Fe、Ni和V進(jìn)行打磨，得到潔凈的原料，使用丙酮超聲清洗，稱得總質(zhì)量為80g的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V，再次超聲清洗。
[0047]步驟2:將超聲清洗后的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V按熔點由低至高的順序從下至上堆放于高真空非自耗電弧熔煉爐內(nèi)，真空度小于或等于1.0 X 10—3MPa時后，充入氬氣保護(hù)，進(jìn)行電弧熔煉，得到合金液后，磁場攪拌，得到合金錠。
[0048]步驟3:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟2中的熔煉和攪拌過程兩次，得到本實施例所述Al0.3T1.2Cr().9FeNi2.5V().2 尚熵合金。
[0049]用線切割工藝將所得AlQ.3TiQ.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金進(jìn)行切割，金相樣品的尺寸為4 X 4 X 3 (單位:mm)，XRD樣品的尺寸為1 X 1 X 3 (單位:mm)，拉伸樣品依據(jù)金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T 228.1-2010)國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定制成工字件試樣。隨后對金相試樣進(jìn)行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕，對XRD試樣和拉伸試樣進(jìn)行粗磨，對拉伸樣品用丙酮進(jìn)行超聲清洗兩次，得到Al0.3T1.2Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待測樣。
[0050]對所述AlQ.3TiQ.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金測試樣進(jìn)行物相分析，其X射線衍射(XRD)譜圖如圖1所示，衍射晶面指數(shù)平方和之比為3:4:8:11，可知六1().311().20().!^附2.5￥0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶體相組成。
[0051 ] 對所述Al0.3T1.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金測試樣進(jìn)行微觀組織分析，其光學(xué)顯微鏡照片如圖4所示，掃描電子顯微鏡(SEM)如圖5所示，可知，析出物按一定規(guī)律較整齊地排列，呈方齒狀分布于基體上。其中，圖4中白色區(qū)域為基體相，黑色區(qū)域為析出相。
[0052]對所述AltL3T1.2CrQ.9FeNi2.5VQ.2高熵合金測試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能測試，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示，可知AlQ.3TiQ.2Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的室溫拉伸屈服強度為694MPa，抗拉強度為877MPa，斷后延伸率為16.3%。
[0053]實施例3
[0054]—種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，所述高熵合金按原子數(shù)比計為Al0.2T1.3Cr0.9FeNi2.5V().2，所述方法具體步驟如下:
[0055]步驟1:使用60號SiC砂紙和砂輪機對單質(zhì)Al、T1、Cr、Fe、Ni和V進(jìn)行打磨，得到潔凈的原料，使用丙酮超聲清洗，稱得總質(zhì)量為80g的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V，再次超聲清洗。
[0056]步驟2:將超聲清洗后的Al、T1、Cr、Fe、Ni和V按熔點由低至高的順序從下至上堆放于高真空非自耗電弧熔煉爐內(nèi)，真空度小于或等于1.0 X 10—3MPa時后，充入氬氣保護(hù)，進(jìn)行電弧熔煉，得到合金液后，磁場攪拌，得到合金錠。
[0057]步驟3:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟2中的熔煉和攪拌過程兩次，得到本實施例所述Al0.2T1.3Cr().9FeNi2.5V().2 尚熵合金。
[0058]用線切割工藝將所得AlQ.2TiQ.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金進(jìn)行切割，，金相樣品的尺寸為4 X 4 X 3 (單位:mm)，XRD樣品的尺寸為1 X 1 X 3 (單位:mm)，拉伸樣品依據(jù)金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T 228.1-2010)國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定制成工字件試樣。隨后對金相試樣進(jìn)行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕，對XRD試樣和拉伸試樣進(jìn)行粗磨，對拉伸樣品用丙酮進(jìn)行超聲清洗兩次，得到Al0.2T1.3Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金待測樣。
[0059]對所述AlQ.2TiQ.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金測試樣進(jìn)行物相分析，其X射線衍射(XRD)譜圖如圖1所示，衍射晶面指數(shù)平方和之比為3:4:8:11，可知六1().211().30().!^附2.5￥0.2高熵合金由面心立方(FCC)固溶體相組成。
[0000]對所述Al0.2T1.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金測試樣進(jìn)行微觀組織分析，其光學(xué)顯微鏡照片如圖6所示，掃描電子顯微鏡(SEM)如圖7所示，可知，析出物按一定順序整齊地排列于基體上。其中，圖6中白色區(qū)域為基體相，黑色區(qū)域為析出相；圖7中A區(qū)域為析出相，B區(qū)域為基體。
[0061 ] 對所述AltL2T1.3CrQ.9FeNi2.5VQ.2高熵合金測試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能測試，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示，可知AlQ.2TiQ.3Cr().9FeNi2.5V().2高熵合金的室溫拉伸屈服強度為820MPa，抗拉強度為996MPa，斷后延伸率為7.5%。
[0062]本發(fā)明包括但不限于以上實施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進(jìn)行的任何等同替換或局部改進(jìn)，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種強韌性匹配良好的高熵合金，其特征在于:所述高熵合金按原子數(shù)比計為八131^0丨6<]附(^，其中，& = 0?0.5沁=0?0.5，。= 0.9?1.0，(1 = 0.8?1.0，6 = 1.5?3.0，f = 0.1 ?0.3。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強韌性匹配良好的高熵合金，其特征在于:a= 0.2?0.4，b = 0.l?0.3，c = 0.9，d = l.0，e = 2.0?3.0，f = 0.2o3.—種如權(quán)利要求1或2所述的強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，其特征在于: 步驟I:將潔凈的原料:Al、T1、Cr、Fe、Ni和V按熔點由低至高的順序從下至上堆放于熔煉爐內(nèi)，真空度小于或等于1.0X 10—3MPa時，充入保護(hù)氣體，進(jìn)行熔煉，同時攪拌，得到合金錠； 步驟2:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟I中的熔煉和攪拌過程，確保成分均勻，得到所述具有良好強韌性匹配的高熵合金； 其中，所用原料Al、T1、Cr、Fe、Ni和V的純度大于或等于99.7wt%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，其特征在于:使用砂紙和砂輪機對所選原料進(jìn)行打磨，清洗，得到潔凈的原料。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，其特征在于:清洗時使用丙酮超聲清洗。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，其特征在于:所述保護(hù)氣體為氬氣;所述熔煉為高真空非自耗電弧熔煉;所述攪拌為磁場攪拌。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種強韌性匹配良好的高熵合金的制備方法，其特征在于:將合金錠翻轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟2中的熔煉和攪拌過程兩次以上。
【文檔編號】C22C19/05GK106086486SQ201610665356
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610665356.6, CN 106086486 A, CN 106086486A, CN 201610665356, CN-A-106086486, CN106086486 A, CN106086486A, CN201610665356, CN201610665356.6
【發(fā)明人】薛云飛, 姜藝凌, 程寶元, 王富恥, 才鴻年, 曹堂清, 王魯
【申請人】北京理工大學(xué)