一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法技术

技术编号:19191469 阅读:20 留言:0更新日期:2018-10-17 03:49
本发明专利技术公开了一种Fe‑Mn‑Cr‑Ni系高熵不锈钢及其制备方法,高熵不锈钢各元素的配比为:Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比为40:15:25:20。该高熵不锈钢由不同质量的原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的Fe‑Mn合金混合用真空电弧熔炼而成,具体过程包括前处理、称料、熔炼、加工处理四个步骤。本发明专利技术通过参数计算该合金满足高熵合金形成准则,其组织为单相FCC简单结构,不仅拥有良好的屈服强度和塑性变形能力,而且相比于304不锈钢在3.5%氯化钠溶液中高熵不锈钢表现出更加优异的耐蚀性能,因此,这种高熵不锈钢可以在腐蚀恶劣的环境中作为结构材料使用。

【技术实现步骤摘要】
一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法
本专利技术涉及一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法,属于高熵合金

技术介绍
几千年来,金属材料一直是人类最重要的材料之一,且在人类文明的发展过程中扮演着非常重要的角色,但是它的使用受到生态和经济效益的影响,对于同时具有高强度、高塑性的材料,其可以通过减轻重量,来达到提升能源的利用率。然而大多数增加金属强度的机理都会导致塑性的降低。我们设计传统合金的原则一般是选择一种或两种主要元素,然后再通过一些指导准则向其中添加不同的元素、不同的含量来改变合金的性能,比如:铁基合金、钴基合金、铝基合金等。传统合金中如果添加的元素种类过多,很容易形成比较多的的金属间化合物或者复杂相,较多的复杂相以及金属间化合物会使得合金的性能急剧下降,所以高熵合金随之应运而生,具有多组分的高熵合金极大地改善了材料的结构和性能,具有诸如高强度、高硬度、优异的耐蚀性和热稳定性、突出的的抗疲劳强度及断裂强度、强耐辐射性等优异的综合性能,这都是传统合金无法与之比较的。多组元高熵合金虽然拥有很多优异的性能,但由于其使用大量的贵金属元素,导致产业相对于传统的钢铁材料其经济成本非常高,实现工业化生产不太现实。随后人们参考高熵合金设计准则,开发出非等原子比的高熵合金,即高熵钢,它是一种Fe基材料,其不仅可以形成简单稳定的相结构,而且在经济成本上有显著降低。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢及其制备方法,通过提高廉价金属Fe、Mn元素含量,设计开发非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢,在满足使用性能的条件下显著降低其成本,为工业化应用奠定基础。本专利技术对于高熵合金经济成本过高的问题,在成分上做出大的调整,大大提高廉价金属的含量,同时满足高熵合金的形成条件,在降低成本的基础上使得合金具有优异的力学性能和耐蚀性能。本专利技术考虑到熔炼过程中纯Mn容易挥发导致成分偏差过大而选择Fe、Mn原子比为1:1的Fe-Mn合金来代替纯Mn;以铁元素为主元,可以大大降低合金成本,为今后向钢的方向发展奠定基础;加入Cr、Ni元素是为了提升合金的耐蚀性能;经过冷轧:一是在冷轧过程中能大大减少合金中的铸造缺陷(缩松、孔洞等),而且轧制过程中大量的位错发生滑移和增殖,由此产生的位错强化作用使得材料强度大大提升;二是冷轧使合金产生严重的晶格畸变,从而对位错的阻碍作用进一步加强,合金的强度、硬度因此而明显提升。本专利技术提供了一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢,其中各元素的配比为:Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比为40:15:25:20。本专利技术提供了一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢的制备方法,包括以下步骤:步骤一、前处理:将原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的Fe-Mn合金分别用砂轮机将表面氧化皮打磨干净,然后放在装有无水乙醇的烧杯中,一并将烧杯置于超声容器中进行超声处理20-30分钟,将原材料表面的杂质、污垢去除干净,然后将原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的Fe-Mn合金置于烘干箱中烘干;步骤二、称料:按照Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比为40:15:25:20;用精度为0.01g的电子天平称取步骤一中前处理之后的原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的FeMn合金;步骤三、熔炼:①将步骤二所称的原材料放在坩埚槽中,按照熔点由低到高从下往上依次放置,将海绵钛块放于其中另一个坩埚槽中,将炉门关闭;②先用机械泵抽真空至5Pa后关闭机械泵,然后启动分子泵,继续抽真空至1.5×10-3Pa以下,充入高纯氩气使得炉内压强为0.4-0.5atm;③开始熔炼,引弧之后首先对钛块进行熔炼,将炉内残余氧气去除干净,若钛块冷却之后表面没有特别大的颜色变化,则可以开始合金的熔炼,每次熔炼之后都要将合金锭子翻转,继续下一次熔炼,熔炼过程重复3-5次以保证成分尽可能均匀;④熔炼多次之后,让合金随炉冷却得到饼状铸锭;步骤四、加工处理:将步骤三所得铸锭依次进行1200±50℃均匀化热处理2小时,该过程使得合金成分进一步变得均匀;1000±50℃再结晶退火2小时,该过程使得非平衡凝固下的树枝晶完全再结晶为无畸变的等轴晶;冷轧压下量35%,该过程能够产生位错强化,使得材料强度、硬度得以提升;650℃去应力退火10分钟,该过程可以去除冷轧过程产生的一部分应力。步骤一中所选择原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr的纯度均大于99.9%,而且将表面氧化皮去除干净后经过超声洗涤处理,最后再烘干。本专利技术采用WK—II型非自耗真空电弧炉进行熔炼,该电弧炉包括炉体、水冷坩埚、真空装置、冷却装置及电源装置;在炉体左边放置冷却装置压缩机,通过压缩机给循环水制冷;真空装置采用机械泵和分子泵双重设备,真空度能抽到到10-4Pa以下;炉体采用双层水冷布置,内、外层材质分别为不锈钢、钢板,由二者精密焊接而成;在炉体内正上方设有电极,电极固定在顶端的控制把手上,能通过控制把手灵活转动,引弧之后在控制把手的作用下将电弧移动到指定的位置;在电极正下方设有水冷坩埚,在坩埚上带有五个坩埚槽,在坩埚下面设有循环水,确保在熔炼过程中坩埚不受损坏;在炉子的正面设置有观察窗,在观察窗上装有墨色玻璃,该设置用在操作引弧时保护操作者眼睛不受伤害。本专利技术的有益效果:本
技术实现思路
的高熵不锈钢为单相FCC简单结构,不仅拥有良好的屈服强度和塑性变形能力,而且相比于304不锈钢在3.5%氯化钠溶液中高熵不锈钢表现出更加优异的耐蚀性能,更重要的是,以廉价金属Fe为主元,大大降低材料成本,因此,这种高熵不锈钢可以在腐蚀恶劣的环境中作为结构材料使用。附图说明图1是实施例1步骤三炼制的Fe40Mn15Cr25Ni20高熵不锈钢XRD图谱;图2是实施例1步骤三炼制的Fe40Mn15Cr25Ni20高熵不锈钢金相显微组织;图3是实施例1步骤四处理后的Fe40Mn15Cr25Ni20高熵不锈钢金相显微组织;图4熔炼合金使用的WK-II型真空电弧炉示意图;图5是实施例4中试样的室温静态单轴拉伸应力-应变曲线图;图6是实施例1步骤四处理之后试样与304不锈钢在3.5%氯化钠溶液中的电化学腐蚀极化曲线;图7是实施例1步骤四处理之后试样与304不锈钢在3.5%氯化钠溶液中的电化学腐蚀阻抗曲线。图中:1为炉体,2为水冷坩埚,3为控制把手,4为电极,5为压缩机,6为机械泵,7为分子泵,8为炉盖;a为冷却水,b为高纯氩气;c为空气。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术,但不局限于以下实施例。本专利技术采用WK—II型非自耗真空电弧炉进行熔炼,如图4所示,该装置包括炉体1、水冷坩埚2、真空装置、冷却装置及电源装置。在炉体左边放置冷却装置压缩机5,通过压缩机5给循环水制冷;真空装置部分采用机械泵6和分子泵7双重设备,真空度能抽到到10-4Pa以下;炉体1采用双层水冷的布置,内、外层材质分别为不锈钢、钢板,由二者精密焊接而成;在炉体1内正上方设有电极4,电极4固定在顶端的控制把手3上,能通过控制把手3灵活转动,引弧之后在控制把手3的作用下可以将电弧移动到指定的位置;在电极4正下方布置有水冷坩埚2,在坩埚上带有五个坩埚槽,在坩埚下面设有循环水,确保在熔炼过程中本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种Fe‑Mn‑Cr‑Ni系高熵不锈钢,其特征在于:各元素的配比为:Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比为40:15:25:20。

【技术特征摘要】
1.一种Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢,其特征在于:各元素的配比为:Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比为40:15:25:20。2.一种权利要求1所述的Fe-Mn-Cr-Ni系高熵不锈钢的制备方法,其特征在于包括以下步骤:步骤一、前处理:将原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的Fe-Mn合金分别用砂轮机将表面氧化皮打磨干净,然后放在装有无水乙醇的烧杯中,一并将烧杯置于超声容器中进行超声处理20-30分钟,将原材料表面的杂质、污垢去除干净,然后将原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的Fe-Mn合金置于烘干箱中烘干;步骤二、称料:按照Fe、Mn、Cr、Ni元素的摩尔比40:15:25:20;用电子天平称取步骤一中处理之后的原材料纯Fe、纯Ni、纯Cr和原子比为1:1的FeMn合金,为使最后炼得合金成分均匀,所以总质量控制在30-35g之间;步骤三、熔炼:①将步骤二所称的原材料放在坩埚槽中,按照熔点由低到高从下往上依次放置于同一个坩埚槽,将海绵钛块单独放于其中另一个坩埚槽中,然后将炉门关闭;②反复多次抽真空至1.5×10-3Pa以下,充入高纯氩气使得炉内压强为0.4-0.5atm;③开始熔炼,熔炼过程重复3-5次以保证成分尽可能均匀;④熔炼多次之后,让合金随炉冷却得到饼状铸锭;步骤四、加工处理:将步骤三所得铸锭依次进行1150~1250℃均匀化热处理2小时,该过程使得合金成分进一步变得均匀;950~1050℃再结晶退火2小时,该过程使得非平衡凝固下的树枝晶完全再结晶为无畸变的等轴晶;冷轧压下量为35%,该过程能够产生位错强化,使得材料强度、...

【专利技术属性】
技术研发人员:乔珺威秦明杰石晓辉张敏杨慧君王重吴玉程
申请(专利权)人:太原理工大学
类型:发明
国别省市:山西,14

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