一种CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种成分为CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法，属于合金材料技术领域。该合金由Co、Cr、Fe、Ni、Hf组成，其中0＜x≤1；所述的Hf的原子百分比不大于20％，Co、Cr、Fe、Ni的原子百分含量相同。通过电弧熔炼得到母合金纽扣锭。通过X射线衍射发现该合金由FCC相与Laves相构成，背散射扫描电镜发现该合金的微观组织具有层片状FCC/Laves相两相结构，层片间距在100～200nm之间。力学性能测试发现该新型合金兼具高的强度和韧性，具有很好的力学性能。

A CoCrFeNiHfx high entropy alloy material and its preparation method

The invention relates to a high entropy alloy material composed of CoCrFeNiHfx and a preparation method thereof, belonging to the technical field of alloy materials. The alloy consists of Co, Cr, Fe, Ni and Hf, of which 0 < x < 1; the atomic percentage of the described Hf is not more than 20%, and the content of Co, Cr, Fe and Ni is the same. The mother alloy button ingot was obtained by arc melting. It is found that the alloy consists of FCC phase and Laves phase by X ray diffraction. The microstructure of the alloy has a lamellar FCC/Laves phase structure, and the interval between layers is between 100 and 200nm. The mechanical properties test shows that the new alloy has high strength and toughness, and has good mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法
本专利技术涉及一种成分为CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法，属于合金材料

技术介绍
传统金属含有一种或者两种主要元素。组元的增加，会使合金组成变得异常复杂。高的混合熵可以抑制金属间化合物的生成，并促进固溶体相的生成。以此想法为基础，高熵合金的概念在2004年被正式提出。高熵合金由于其独特的构成，具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、扩散上的迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。这些效应使得高熵合金具有比传统合金更加优异的性能。高熵合金在耐腐蚀、抗辐照、耐磨、高温等领域均具有很大的应用前景。高熵合金研究最初集中于寻找具有单相的固溶体体系，并根据大量的实验数据得到获得单相固溶体的判据，利于单相固溶体高熵合金体系的发现。通常，单相固溶体具有面心立方(FCC)或者体心立方(BCC)晶体结构。FCC结构的高熵合金具有高的塑性，但是其强度较低；BCC结构的高熵合金具有很高的强度，但塑性很差。目前，通常利用在塑性较好的CoCrFeNi基体中加入适当的元素来强化其性能。西北工业大学专利号为CN104674103A的专利中专利技术了一种CoCrFeNiNb高熵合金。当Nb元素含量为9.3wt％的时候，合金在室温下的抗压强度为2024.6MPa，相对压缩率为38.8％；当Nb元素含量为17.1wt％的时候，合金在室温下的抗压强度为2320.5MPa，相对压缩率为23.6％；元素含量为24.8wt％的时候，合金在室温下的抗压强度为2504.5MPa，相对压缩率为13.5％；专利中CoCrFeNiNb虽然一定程度上增强了CoCrFeNi的强度，但是效果仍然不够理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决高熵合金室温下强韧性匹配较差的问题，提出了一种CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现的。一种CoCrFeNiHfx高熵合金，由钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)、铪(Hf)五种金属元素组成；其中，0＜x≤1；所述Hf的原子百分含量不大于20％，Co、Cr、Fe、Ni的原子百分含量相等。CoCrFeNiHfx高熵合金相组成由富Co、Cr、Fe的FCC相与富Ni、Hf的Laves相构成。在x＝0.4时，即CoCrFeNiHf0.4，微观组织呈现为FCC相与Laves相交错层片状排布，具有共晶合金的特征，层片的间距在100～200nm左右。在x&lt;0.4时，微观组织呈现为FCC初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右。在x&gt;0.4时，微观组织呈现为Laves初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右。一种CoCrFeNiHfx高熵合金的制备方法，包括以下步骤：步骤一：选用Co、Cr、Fe、Ni、Hf五种元素，利用机械方法去除原料表面氧化皮，并超声清洗。根据CoCrFeNiHfx(其中x＝0～1)高熵合金的原子百分比精确称量Co、Cr、Fe、Ni及Hf原料，并根据熔点由低到高，即Ni、Co、Fe、Cr、Hf的顺序，依次放入真空电弧熔炼炉铜坩埚中。步骤二：关闭炉门，将真空电弧熔炼炉抽真空，再通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体。步骤三：在高纯氩气的保护下进行引弧，首先先将炉中的纯Ti锭进行熔炼，从而降低真空腔内的氧含量，熔炼时间为2min左右。然后，对CoCrFeNiHfx的原料进行熔炼。每次熔炼完，等到母合金纽扣锭冷却之后，通过机械手将母合金翻转，并通过相同方法进行下一次熔炼，总共进行五次熔炼。其中，第三次到第五次熔炼时，需开启磁搅拌，使高熵合金母合金锭更加均匀。步骤四：待CoCrFeNiHfx高熵合金熔炼结束，铜模冷却至室温，打开炉门，取出样品，得到CoCrFeNiHfx高熵合金。上述步骤二中炉膛真空度小于2.5×10-3Pa。上述步骤二中保护气氛压强为0.06MPa。上述步骤三中熔炼电流为300～400A，熔炼电压在10～20V。上述步骤三中每次熔炼时间为3min左右，合金保持液态时间大于2min。上述步骤三中电磁搅拌电流保持在5A左右。有益效果本专利技术的一种CoCrFeNiHfx高熵合金，主要是利用Co、Cr、Fe、Ni、Hf五种元素制备得到。通过Hf元素与基体CoCrFeNi中各元素反应生成金属间化合物，从而形成第二相强化，提高合金的力学性能。XRD图谱表明，CoCrFeNiHfx由富Co、Cr、Fe的FCC相与富Ni、Hf的C15型Laves相构成。FCC相具有很好的塑性，C15型的Laves具有很高的强度和高温强度，两者的结合可以使高熵合金兼具高强和高韧性。微观组织图表明，CoCrFeNiHfx中存在具有层片状结构的共晶组织，并且层片之间的间距在100～200nm之间。层片结构引入了大量的界面，可以提高合金的强度。随着Hf含量的提高，CoCrFeNiHfx的屈服强度不断提高。当Hf含量为2.44at％时，屈服强度为313MPa，在压缩实验中未发生断裂；当Hf含量为5.88at％时，其屈服强度为670MPa，抗压强度为2576MPa，相对压缩率大于50％；当Hf含量为6.98at％时，屈服强度为809MPa，其抗压强度为2630MPa，相对压缩率为21％；当Hf含量为11.11at％时，屈服强度为1250MPa，其抗压强度为2630MPa，相对压缩率为17.2％。附图说明图1是CoCrFeNiHfx高熵合金的X射线衍射(XRD)图谱；图2是铸态CoCrFeNiHfx高熵合金的背散射扫描电子显微镜(BSEM)图：(a)CoCrFeNiHf0.1,(b)CoCrFeNiHf0.25，(c)CoCrFeNiHf0.3，(d)CoCrFeNiHf0.5；图3是铸态CoCrFeNiHfx高熵合金的室温压缩应力应变曲线。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1本实施例是一种CoCrFeNiHf0.1高熵合金，由Co、Cr、Fe、Ni、Hf五种元素构成，Hf的相对原子百分比含量为2.44at％，Co、Cr、Fe、Ni的相对原子百分比约为24.39％。CoCrFeNiHf0.1高熵合金的相组成为富Co、Cr、Fe的FCC相与富Ni、Hf的C15型Laves相构成，如图1所示。其微观组成为FCC的初生相和层片状的FCC/Laves相两相区域，FCC初生相呈棒状或球状分布，FCC/Laves相两相区层片间距在100～200nm左右，如图2(a)所示。所述Co、Cr、Fe、Ni固体原料的纯度高于99.99wt％；所述Hf固体原料的纯度高于99.95wt％。所述CoCrFeNiHfx高熵合金的制备方法为：步骤1：选用选用Co、Cr、Fe、Ni、Hf五种元素，利用240目砂纸去除原料表面氧化皮，并超声清洗。根据CoCrFeNiHf0.1高熵合金的原子百分比精确称量Co、Cr、Fe、Ni及Hf原料；称量的Co、Cr、Fe、Ni和Hf原料的总质量为62.63g；其中Co为15.17g，Cr为13.39g，Fe为14.37g，Ni为15.11g，Hf为4.60g。根据熔点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CoCrFeNiHfx高熵合金，其特征在于：由钴、铬、铁、镍、铪五种金属元素组成；其中，0＜x≤1；所述Hf的原子百分含量不大于20％，钴、铬、铁、镍的原子百分含量相等；CoCrFeNiHfx高熵合金相组成由富钴、铬、铁的FCC相与富镍、铪的Laves相构成；在x＝0.4时，即CoCrFeNiHf0.4，微观组织呈现为FCC相与Laves相交错层片状排布，具有共晶合金的特征，层片的间距在100～200nm左右；在x<0.4时，微观组织呈现为FCC初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右；在x>0.4时，微观组织呈现为Laves初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右。

【技术特征摘要】
1.一种CoCrFeNiHfx高熵合金，其特征在于：由钴、铬、铁、镍、铪五种金属元素组成；其中，0＜x≤1；所述Hf的原子百分含量不大于20％，钴、铬、铁、镍的原子百分含量相等；CoCrFeNiHfx高熵合金相组成由富钴、铬、铁的FCC相与富镍、铪的Laves相构成；在x＝0.4时，即CoCrFeNiHf0.4，微观组织呈现为FCC相与Laves相交错层片状排布，具有共晶合金的特征，层片的间距在100～200nm左右；在x&lt;0.4时，微观组织呈现为FCC初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右；在x&gt;0.4时，微观组织呈现为Laves初生相，以及层片状的FCC/Laves相两相区域，层片的间距在100～200nm左右。2.制备如权利要求1所述的一种CoCrFeNiHfx高熵合金的方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：选用钴、铬、铁、镍、铪五种元素，利用机械方法去除原料表面氧化皮，并超声清洗；根据CoCrFeNiHfx高熵合金的原子百分比精确称量钴、铬、铁、镍及铪原料，并根据熔点由低到高，即钴、铬、铁、镍、铪的顺序，依次放入真空电弧熔炼炉铜坩埚中；步骤二：关闭炉门，将真空电弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：程兴旺，徐子祁，谭友德，张洪梅，王梦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11