一种双相结构高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双相结构高熵合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。高熵合金的元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。本发明专利技术采用电弧熔炼获得FeCoNiCrMnSix高熵合金，所得高熵合金组织结构简单，是FCC+BCC双相结构，FCC相和BCC相的体积分数可以通过Si含量进行调节；Si含量较低的合金具有高塑性，而Si含量较高的合金具有高强度、高硬度及良好抗氧化性能等优点；室温下屈服强度为250‑1005MPa，压缩应变率大于10％；600℃时屈服强度为126‑607.7MPa，压缩应变率大于16％，性能优于典型的FeCoNiCrMn高熵合金。

A Dual-Phase High Entropy Alloy and Its Preparation Method

The invention discloses a dual-phase structure high-entropy alloy and a preparation method thereof, which belongs to the field of metal materials and preparation technology. The elemental composition of high entropy alloys includes Fe, Co, Ni, Cr, Mn and Si, in which the molar ratio of Fe: Co: Ni: Cr: Mn: Si is 1:1:1:1:0.2-0.8. The high-entropy FeCoNiCrMnSix alloy is obtained by arc melting, and the structure of the high-entropy alloy is simple. The structure of the high-entropy alloy is FCC+BCC dual-phase structure. The volume fraction of FCC phase and BCC phase can be adjusted by Si content. The alloy with low Si content has high plasticity, while the alloy with high Si content has high strength, high hardness and good oxidation resistance, and the yield strength at room temperature is 250. The compressive strain rate is more than 10% at 1005 MPa, and the yield strength is 126 607.7 MPa at 600 C, and the compressive strain rate is more than 16%. The properties of the alloy are better than those of the typical FeCoNiCrMn high-entropy alloy.

【技术实现步骤摘要】
一种双相结构高熵合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料及其制备
，具体地说是一种双相结构高熵合金及其制备方法。
技术介绍
耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的结构材料。但随着服役参数的不断提高，对耐热材料的性能要求越来越高，促进了近年来高温强度更高、抗氧化性能更好和足够的韧性的新型耐热合金的迅速发展。高熵合金概念的提出为开发此材料提供了新的思路。高熵合金突破了传统合金的设计理念，采用多种元素为主元，每种元素的原子百分比介于5％～35％之间，结构简单，多为FCC相、BCC相和HCP相结构。由于组成元素众多，各元素的原子半径大小不一。因而，高熵合金内部存在较大的晶格畸变，阻碍合金中原子扩散，这也极大程度促使BCC结构高熵合金展现较高的强度和硬度，塑性却并不理想。而FCC结构的高熵合金具有优异的延展性，但材料强度却往往不能满足使用要求。有研究表明，等原子比FeCoNiCrMn高熵合金(FCC结构)是一种很有应用前景的结构材料。FeCoNiCrMn高熵合金与常规耐热合金相比，具有更好的室温韧性，然而FeCoNiCrMn高熵合金的强度低，且在高温空气等氧化环境中，氧与FeCoNiCrMn高熵合金表面发生化学反应生成铬和锰的氧化物层，该氧化物层很疏松，极易脱落，导致合金抗氧化性能差。在不降低塑性或降低程度较小的情况下，如何提高FeCoNiCrMn高熵合金的强度和高温抗氧化性能，对高熵合金的实际应用具有重要的现实意义。BCC相具有较高的强度和硬度，而在FCC基体中加入原子尺寸半径较大且稳定BCC相的元素(比如Si，Al)会促进BCC相的形成，同时含Si和Al的合金在高温氧化过程中容易形成SiO2或Al2O3保护膜，有利于提高合金的抗氧化性能。因此，本专利技术在FeCoNiCrMn高熵合金基体中添加一定量的Si，有望同时提高合金的强度和抗氧化性能。
技术实现思路
本专利技术针对FeCoNiCrMn高熵合金具有高塑性而强度低以及抗氧化性能差的问题，提供了一种兼具高强度、高塑性和优异的抗氧化性能的双相结构高熵合金及其制备方法。本专利技术采用电弧熔炼技术制备了FeCoNiCrMnSix高熵合金，形成FCC+BCC双相组织结构的合金，显著提升了FeCoNiCrMn合金的力学性能。本专利技术双相结构高熵合金，其元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。本专利技术双相结构高熵合金，简记为FeCoNiCrMnSix。本专利技术双相结构高熵合金的制备方法，包括如下步骤：步骤1：金属原材料预处理利用砂纸去除高纯Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块表面的氧化皮，再将金属块置于烧杯中，加入无水乙醇，超声波清洗10min，以去除金属块表面灰尘和油污，更换无水乙醇，超声波清洗5min，然后干燥处理，获得预处理后的Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块。步骤2：电弧熔炼高熵合金根据FeCoNiCrMnSix高熵合金的摩尔比，用电子天平精确称量预处理后的Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块，按照熔点从低到高的顺序由下至上依次堆叠于水冷铜模的熔炼池内，中间的熔炼池用于放置钛锭(在熔炼试样前，应先熔炼钛锭以吸收炉腔内的氧气)；打开循环冷却水系统，关紧熔炼炉炉门；打开机械泵阀，抽真空至5Pa，再利用分子阀将真空度降低为3x10-3Pa，关闭分子阀、机械阀，打开充氩阀，向炉腔内充填氩气至真空度为0.03-0.06Pa，关闭充氩阀；引弧(引弧电流为50～100A)，再把电极升高到10mm左右处，调剂电流控制旋钮，逐步增大电流至100～200A进行熔炼，合金试样应反复翻转熔炼5次以实现合金中成分的均匀，每次熔炼不少于5min；熔炼结束后，关闭电源，待合金冷却10min后，打开放气阀，打开熔炼炉炉门取出重约30g的纽扣状合金铸锭。步骤1获得的预处理后的高纯Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块为纯度大于99.9％的粒状或块状金属块。步骤2中，熔炼炉为WK系列真空电弧熔炼炉。本专利技术采用电弧熔炼获得高熵合金，所得高熵合金组织结构简单，是FCC+BCC双相结构；FCC相和BCC相的体积分数可以通过Si含量进行调节；Si含量较低的合金具有高塑性，而Si含量较高的合金具有高强度、高硬度及良好抗氧化性能等优点。室温下压缩应变率大于10％，屈服强度为250-1005MPa；600℃时压缩应变率大于16％，屈服强度为126-607.7MPa，优于FeCoNiCrMn材料(室温下压缩应变率大于50％，屈服强度为188.8MPa；600℃时压缩应变率大于50％，屈服强度为125MPa)。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术FeCoNiCrMnSix高熵合金组织结构简单，是FCC+BCC双相结构，兼具高强度、高塑性和较高的硬度，该合金的显微硬度最高达424HV，具有广阔的应用前景。2、本专利技术FeCoNiCrMnSix高熵合金在600℃时屈服强度可达607.7MPa，具有较好的耐高温软化性能。3、本专利技术FeCoNiCrMnSix高熵合金具有优异的抗氧化性能，在高温氧化环境中形成SiO2内氧化层，减缓合金的进一步氧化，且合金表面氧化膜不易脱落。附图说明图1为实施例1、2、3的高熵合金X射线衍射(XRD)谱图。图2为实施例2FeCoNiCrMnSi0.5高熵合金的扫描电镜(SEM)照片。图3为实施例3FeCoNiCrMnSi0.7高熵合金的扫描电镜(SEM)照片。图4为实施例1、2、3的高熵合金和FeCoNiCrMn高熵合金的压缩应力-应变曲线。图5为实施例1、2、3的高熵合金和FeCoNiCrMn高熵合金在700℃氧化增重曲线。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1：本实施例中高熵合金成分为FeCoNiCrMnSix，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn：Si的摩尔比依次为1：1：1：1：1：0.3。本实施例的高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：采用纯度均大于99.9wt.％的Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块，按照Fe:Co:Ni:Cr:Mn：Si的摩尔比依次为1：1：1：1：1：0.3的比例放置于电弧熔炼炉中，真空抽至3x10-3Pa后使用Ti锭进一步吸收氧气，然后充入0.6个大气压的氩气后进行熔炼，一次熔炼完成后将得到的铸锭重新熔化再次进行熔炼，如此进行电弧熔炼5次，每次熔炼的时间不少于5分钟，得到双相结构的高熵合金。本实施例所制备的FeCoNiCrMnSi0.3高熵合金，600℃时压缩屈服强度为126MPa。对所述高熵合金试样进行XRD物相分析，其XRD图谱如图1所示，其组成为BCC+FCC双相结构。其中，FCC为主相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双相结构高熵合金，其特征在于：所述双相结构高熵合金的元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。

【技术特征摘要】
1.一种双相结构高熵合金，其特征在于：所述双相结构高熵合金的元素构成包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn和Si，其中Fe:Co:Ni:Cr:Mn:Si的摩尔比为1：1：1：1：1：0.2～0.8。2.一种权利要求1所述的双相结构高熵合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：金属原材料预处理利用砂纸去除高纯Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块表面的氧化皮，再将金属块置于烧杯中，加入无水乙醇，超声波清洗以去除金属块表面灰尘和油污，更换无水乙醇，超声波清洗，然后干燥处理，获得预处理后的Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块；步骤2：电弧熔炼高熵合金根据双相结构高熵合金的摩尔比，用电子天平精确称量预处理后的高纯Fe块、Co块、Ni块、Cr块、Mn块和Si块，按照熔点从低到高的顺序由下至上依次堆叠于水冷铜模的熔炼池内，进行引弧熔炼；熔炼结...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟志宏，张超，翟博，宋奎晶，朱志雄，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34