一种高性能高熵合金及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能高熵合金及其加工方法，通过在Fe40Mn40Co10Cr10合金中引入一定含量的碳元素，与基体形成间隙固溶体，一方面可以有效降低材料的层错能，使得在室温条件下就可以诱发孪晶，另一方面碳元素可以通过固溶和析出碳化物为基体提供额外的强度增量。本发明专利技术碳元素作为良好的间隙原子以及碳化物作为有效的析出强化相，通过最后步骤中在较高温度较长时间保温，锻态组织被部分或完全消除，部分析出相溶解形成近单相结构后，合金即可在更高性能水平的基础上重新具备较大的性能可调控空间，有利于通过其他强化方式如形变强化和析出强化的组合进行进一步的强化，获得更加合理的强度和塑性搭配，而且总体合金元素的含量合理，成本低，具备较强的经济性。

High performance and high entropy alloy and its processing method

The invention discloses a high performance high entropy alloy and its processing method, by introducing some carbon content in Fe40Mn40Co10Cr10 alloy, the formation of interstitial solid solution and the substrate, one can effectively reduce the SFE, which can be at room temperature by twin, on the other hand by solid carbon dissolution and precipitation of carbides provide additional strength increment matrix. The invention of carbon as good as interstitial atoms and carbide phase strengthening effective precipitation, through the long time high temperature insulation in the final step, forging microstructure was partially or completely eliminated, some precipitates dissolve to form a nearly single-phase structure, alloy can be based on a higher level of performance to have greater performance the regulation of space, is conducive to strengthening by other methods such as combination of deformation strengthening and further strengthening, obtain more reasonable strength and plasticity of the alloy element content and overall collocation, reasonable, low cost, with a stronger economy.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能高熵合金及其加工方法
本专利技术属于高性能合金的成分设计及处理工艺领域，设计一种高性能高熵合金及其加工方法。
技术介绍
高熵合金是2004年由叶均蔚提出的以新的合金设计理念为基础的一类合金，这类合金一般含有五种及以上的合金元素(现在也有四种元素组成的)，每种元素含量均在5％以上，无明显优势元素，结构上一般为单相的FCC或者BCC，有时也出现混合结构。高熵合金因其强烈的固溶效应，具有较高的强度，热稳定性，耐磨性和耐腐蚀性能，自提出以来获得了广泛的关注和研究，被认为是一种潜在的结构材料。但是部分高熵合金体系，如Fe40Mn40Co10Cr10，却表现出低温性能优良，室温强度有限的特点，限制了该类合金的实际使用；此外，通过引入传统的材料强化手段，如析出强化和位错强化，虽然可以提高该部分高熵合金的室温强度，但却引起其塑性的显著降低，因此实际应用中常常需要在强度和塑性中进行平衡，极大的限制了高熵合金应用的拓展。界面强化，包括晶界强化和孪晶强化，被认为是可以较好协调强度和塑性的一种手段，尤其是孪晶强化，可以同时大幅度提高材料的强度和塑性，但是诱发孪晶则需要满足一定的条件。研究表明，通过合金元素的掺杂，降低材料的层错能是一种可行的方法。通过合理的成分和工艺设计，有可能较大的提升部分高熵合金的室温性能，推动其实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决Fe40Mn40Co10Cr10合金面临的室温强度不足等问题，并协调好强度和塑性之间的关系，提供一种高性能高熵合金及其加工方法。本专利技术通过在Fe40Mn40Co10Cr10合金中引入一定含量的碳元素，与基体形成间隙固溶体，一方面可以有效降低材料的层错能，使得在室温条件下就可以诱发孪晶，另一方面碳元素可以通过固溶和析出碳化物为基体提供额外的强度增量，有效提高材料的室温性能。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种高性能高熵合金，按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100-xCx的名义成分配料并进行熔炼，其中合金基体Fe40Mn40Co10Cr10中各元素原子百分含量为：Fe：35-45％；Mn：35-45％；Co：5-15％；Cr：5-15％；掺杂碳元素的含量0＜x≤10at％。本专利技术进一步的改进在于：熔炼得到的高性能高熵合金的晶粒尺寸为100-300μm。一种高性能高熵合金的加工方法，包括以下步骤：1)按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100-xCx的名义成分配料并进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100-300μm之间的铸态合金；其中，0＜x≤10at％；2)若熔炼母合金的质量和选择的熔炼方法使合金参考GB/T13298-2015取样时均匀性和致密度符合GB/T11352-2009和GB/T7233的规定，则执行步骤3)；否则执行步骤4)；3)通过调节铸态合金的含碳量，若调节后合金的抗拉强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行步骤4)；其中，实际服役要求为抗拉强度在500～2000MPa之间和塑性在10～100％之间的强度-塑性搭配要求；4)在真空退火炉内，对步骤1)获得的铸态合金在1000-1300℃之间均匀化退火8-24h；5)对均匀化后的合金进行镦拔处理，始锻温度1000-1100℃，终锻温度950-1000℃；6)对镦拔后的合金在较低温度进一步锻造，始锻温度900-1000℃，终锻温度850-900℃；7)若锻造完成后的材料的强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行步骤8)；8)对锻造完成后的合金在真空炉内在850～1100℃的温度下进行热处理，时间10-60min；9)若合金的强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行终止条件判断，若符合终止条件则终止加工，废弃合金，否则返回执行步骤3)；所述终止条件为：若合金的碳含量在x＝0,5,10时，合金的强度和塑性通过步骤3)-8)的处理后，仍然不能满足实际服役要求，则终止加工，废弃合金。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术有效降低了材料的层错能，诱发孪晶变得更为容易，同时，碳元素作为良好的间隙原子以及碳化物作为有效的析出强化相，可以极大的提高材料在室温时的性能，适当的掺杂量和处理工艺的合理搭配可以提供较为丰富的性能调控组合手段，尤其是通过最后步骤中在较高温度较长时间保温，锻态组织被部分或完全消除，部分析出相溶解形成近单相结构后，合金即可在更高性能水平的基础上重新具备较大的性能可调控空间，有利于通过其他强化方式如形变强化和析出强化的组合进行进一步的强化，获得更加合理的强度和塑性搭配，而且总体合金元素的含量合理，成本低，具备较强的经济性。【附图说明】图1为使用真空电弧炉小质量熔炼的不同碳含量铸态Fe40Mn40Co10Cr10合金的金相组织；图2为使用真空电弧炉小质量熔炼的不同碳含量铸态Fe40Mn40Co10Cr10合金的拉伸性能曲线；图3为使用悬浮熔炼炉熔炼得到的铸锭的组织；图4为使用悬浮熔炼炉熔炼并经过不同后处理的(Fe40Mn40Co10Cr10)96.7C3.3合金的拉伸性能曲线。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术高性能高熵合金的加工方法，包括以下步骤：1)按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100-xCx的名义成分配料并进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100-300μm之间的铸态合金；其中，0＜x≤10at％；2)若熔炼母合金的质量和选择的熔炼方法使合金参考GB/T13298-2015取样时均匀性和致密度符合GB/T11352-2009和GB/T7233的规定，则执行步骤3)；否则执行步骤4)；3)通过调节铸态合金的含碳量，若调节后合金的抗拉强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行步骤4)；其中，实际服役要求为抗拉强度在500～2000MPa之间和塑性在10～100％之间的强度-塑性搭配要求；4)在真空退火炉内，对步骤1)获得的铸态合金在1000-1300℃之间均匀化退火8-24h；5)对均匀化后的合金进行镦拔处理，始锻温度1000-1100℃，终锻温度950-1000℃；6)对镦拔后的合金在较低温度进一步锻造，始锻温度900-1000℃，终锻温度850-900℃；7)若锻造完成后的材料的强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行步骤8)；8)对锻造完成后的合金在真空炉内在850～1100℃的温度下进行热处理，时间10-60min；9)若合金的强度和塑性满足实际服役要求，则采纳使用；否则执行终止条件判断，若符合终止条件则终止加工，废弃合金，否则返回执行步骤3)；所述终止条件为：若合金的碳含量在x＝0,5,10时，合金的强度和塑性通过步骤3)-8)的处理后，仍然不能满足实际服役要求，则终止加工，废弃合金。实施例1(Fe40Mn40Co10Cr10)1)按照名义成分为(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C2.2的组成进行配料，总质量200g左右，在真空电弧炉下进行熔炼，熔炼四次，获得晶粒尺寸在100μm左右的铸态合金；2)该种方法下，单次200g进行熔炼可以保证成分和组织均匀性，且材料抗拉强度约650MPa，满足服役要求，无需后续处理，可直接使用；该成分的合金熔炼后的铸锭组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能高熵合金，其特征在于，按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100‑xCx的名义成分配料并进行熔炼，其中合金基体Fe40Mn40Co10Cr10中各元素原子百分含量为：Fe：35‑45％；Mn：35‑45％；Co：5‑15％；Cr：5‑15％；掺杂碳元素的含量0＜x≤10at％。

【技术特征摘要】
1.一种高性能高熵合金，其特征在于，按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100-xCx的名义成分配料并进行熔炼，其中合金基体Fe40Mn40Co10Cr10中各元素原子百分含量为：Fe：35-45％；Mn：35-45％；Co：5-15％；Cr：5-15％；掺杂碳元素的含量0＜x≤10at％。2.根据权利要求1所述的高性能高熵合金，其特征在于，熔炼得到的高性能高熵合金的晶粒尺寸为100-300μm。3.一种权利要求1或2所述高性能高熵合金的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照母合金(Fe40Mn40Co10Cr10)100-xCx的名义成分配料并进行熔炼，获得晶粒尺寸在约100-300μm之间的铸态合金；其中，0＜x≤10at％；2)若熔炼母合金的质量和选择的熔炼方法使合金参考GB/T13298-2015取样时均匀性和致密度符合GB/T11352-2009和GB/T7233的规定，则执行步骤3)；否则执行步骤4)；3)通过调节铸态合金的含碳量，若调节后合金的抗拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：江峰，陈良斌，唐可，杨中岳，吴亚科，孙军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61