一种铁铜锰镍高熵合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铁铜锰镍高熵合金的制备方法，是针对各合金元素的特点，经真空电弧熔炼，制得高熵合金，此制备方法工艺先进，技术参数精确，制成的高熵合金硬度达193HV、抗拉强度达509MPa、屈服强度达181MPa、延伸率达37.3%，兼具较高的抗拉强度和良好的塑性，同时满足低成本的工业需求，是先进的高熵合金的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种铁铜锰镍高熵合金的制备方法
本专利技术涉及一种铁铜锰镍合金的制备方法，属于金属材料制备及应用的

技术介绍
高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨或耐高温软化等性能特点，在工业领域中应用广泛，例如高速切削刀具、模具等。然而，目前研究的多主元高熵合金常使用大量的钴、铬、钛等高成本元素，严重制约了该合金的应用和发展。因此，选择合适的合金成分、材料成型方法及其工艺参数，开发出具有优异力学性能且低成本的高熵合金，将具有非常重要的科学和工程意义。目前，这一技术还处于研究阶段。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是针对现有合金的不足，开发出一种具有优异力学性能的高熵合金，该合金由面心立方和体心立方固溶体组成，同时兼具较高的抗拉强度和良好的塑性，以实现其在工业领域的广泛应用。技术方案本专利技术使用的化学物质材料为：铁、铜、锰、镍、海绵钛、氩气、无水乙醇，组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位铁：Fe，纯度99.99％，固态颗粒，11.98g±0.001g铜：Cu，纯度99.99％，固态颗粒，13.63g±0.001g锰：Mn，纯度99.99％，固态颗粒，11.79g±0.001g镍：Ni，纯度99.99％，固态颗粒，12.6g±0.001g海绵钛：Ti，纯度95％，固态块体，50g±0.1g氩气：Ar，纯度99.999％，气态气体，500000cm3±100cm3无水乙醇：C2H5OH，纯度99.99％，液态液体，2000mL±10mL制备方法如下：(1)预处理铁、铜、锰、镍颗粒①将铁、铜、锰、镍颗粒置于烧杯中，加入无水乙醇300mL，超声震荡清洗30min，清洗后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度200℃，真空度2Pa，干燥时间30min；(2)配料称取铁11.98g±0.001g、铜13.63g±0.001g、锰11.79g±0.001g、镍12.6g±0.001g、海绵钛50g±0.1g；(3)熔炼制备高熵合金锭：铁铜锰镍高熵合金的熔炼是在真空电弧熔炼炉中进行的，是在抽真空、充氩气、熔炼高熵合金过程中完成的；①放置原料打开真空电弧熔炼炉，清理熔炼炉内部，并用无水乙醇进行清洗，使熔炼炉内部洁净；将海绵钛放入水冷铜模辅助熔池中；将铁、铜、锰、镍原料按照熔点由低到高、自下而上的顺序放置到水冷铜模主熔池内；关闭炉门，密闭；②抽真空、充氩气开启真空泵，抽空炉内空气，使炉内压强达0.005Pa，关闭真空泵；开启氩气阀，输入氩气至半个大气压，关闭氩气阀；重复该步骤3次以清洗真空室；③熔炼海绵钛熔炼海绵钛，以消耗真空室内的残余氧气；将电弧枪移至海绵钛上方5mm处，以20A的电流引弧；④引弧后熔炼电流逐渐增至250A～300A，将合金元素熔至液态后停留120s～180s，关闭电流电弧；待铸锭在水冷铜模上冷却后利用机械臂翻转铸锭，以相同方法再次熔炼铸锭，该步骤重复7次；第3次到第7次熔炼过程中开启电磁搅拌器以保证合金均匀性，电磁搅拌电流保持在3～5A；熔炼完成后得到铁铜锰镍高熵合金；⑤取样铸锭随炉冷却至25℃，开启放气阀充入空气，待内外气压平衡后开启炉门取出铸锭；(4)清理、清洗高熵合金铸锭将铁铜锰镍高熵合金铸锭置于钢质平板上，用400目砂纸打磨正反表面及周边，使表面光洁；然后用无水乙醇清洗各部，使其洁净；(5)真空干燥高熵合金铸锭将铁铜锰镍高熵合金铸锭置于真空干燥箱中，干燥温度100℃，真空度2Pa，干燥时间10min；(6)检测、分析、表征对制备的铁铜锰镍高熵合金铸锭的形貌、组织、力学性能进行检测、分析、表征：用金相显微镜进行金相组织分析；用X射线衍射仪进行晶体结构分析；用扫描电子显微镜进行微观形貌和化学元素分析；用微机控制电子万能试验机进行力学性能分析；结论：铁铜锰镍高熵合金为块状铸件，由面心立方和体心立方固溶体组成，硬度达193HV、抗拉强度达509MPa、屈服强度达181MPa、延伸率达37.3％。有益效果本专利技术是针对铁、铜、锰、镍元素的技术特点，经真空电弧熔炼，制成高熵合金，此制备方法工艺先进，技术参数精确，制得的高熵合金硬度达193HV、抗拉强度达509MPa、屈服强度达181MPa、延伸率达37.3％，具有广泛的工业应用前景，是先进的高熵合金的制备方法。附图说明图1，铁铜锰镍高熵合金熔炼状态图；图2，铁铜锰镍高熵合金X射线衍射图谱；图3，铁铜锰镍高熵合金的微观组织形貌图；图4，铁铜锰镍高熵合金的各元素面分布图；图中所示，附图标记清单如下：1、真空电弧熔炼炉，2、炉盖，3、炉座，4、炉腔，5、握把式控制器，6、引弧控制器，7、电流调节器，8、磁搅拌调节器，9、氩气，10、电弧枪，11、高熵合金熔液，12、海绵钛，13、放气管，14、放气阀，15、氩气管，16、氩气阀，17、氩气瓶，18、水冷铜模，19、主熔池，20、辅助熔池，21、水冷系统，22、冷却水，23、真空泵，24、真空管，25、真空阀，26、电磁搅拌器，27、机械臂，28、电控箱，29、显示屏，30、指示灯，31、电源开关，32、电弧开关，33、电磁搅拌开关，34、真空泵调控器，35、水冷系统调控器，36、第一导线，37、第二导线，38、第三导线，39、第四导线。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步说明：图1所示，为铁铜锰镍高熵合金熔炼状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位。铁铜锰镍高熵合金的熔炼是在真空电弧熔炼炉中进行的，是在抽真空、充氩气、熔炼高熵合金过程中完成的；真空电弧熔炼炉1为立式，真空电弧熔炼炉1顶部为炉盖2、下部为炉座3、内部为炉腔4；在炉腔4的上部设有电弧枪10、下部设有水冷铜模18、右侧部设有机械臂27、左侧设有放气管13和放气阀14；电弧枪10经过炉盖2与握把式控制器5相连；握把式控制器5上设有引弧控制器6、电流调节器7和磁搅拌调节器8；在水冷铜模18上设有两个熔池，左端主熔池19内部为高熵合金熔液11、右端辅助熔池20内部为海绵钛12；水冷铜模18外部由电磁搅拌器26环绕；在炉座3下部设有水冷系统21，水冷系统21向水冷铜模18内提供冷却水22；在炉座3右下部设有真空泵23，并通过真空管24经真空阀25伸入炉腔4内；在真空电弧熔炼炉1的左端设有氩气瓶17，氩气瓶17经氩气管15和氩气阀16向炉腔4内输入氩气9；电控箱28上部设有显示屏29、指示灯30、电源开关31、电弧开关32、电磁搅拌开关33、真空泵调控器34、水冷系统调控器35，电控箱28的第一导线36连接电弧枪10、第二导线37连接电磁搅拌器26、第三导线38连接真空泵23、第四导线39连接水冷系统21。图2为铁铜锰镍高熵合金X射线衍射图谱，图中所示，铁铜锰镍高熵合金由面心立方和体心立方固溶体组成，没有形成复杂的中间相或金属间化合物，其中面心立方结构和体心立方结构的衍射峰强度相近。图3为铁铜锰镍高熵合金的微观组织形貌图，由于铜模的快速冷却效果，合金表现出典型的树枝晶-枝晶间结构，其中亮色枝晶区域为面心立方结构，暗色枝晶间区域为体心立方结构。图4为铁铜锰镍高熵合金的各元素面分布图，图中所示，枝晶区域为富铁区域，枝晶间区域则具有较高的铜含量，相比之下，锰和镍在合金中分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁铜锰镍高熵合金的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铁、铜、锰、镍、海绵钛、氩气、无水乙醇，组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位铁：Fe，纯度99.99％，固态颗粒，11.98g±0.001g铜：Cu，纯度99.99％，固态颗粒，13.63g±0.001g锰：Mn，纯度99.99％，固态颗粒，11.79g±0.001g镍：Ni，纯度99.99％，固态颗粒，12.6g±0.001g海绵钛：Ti，纯度95％，固态块体，50g±0.1g氩气：Ar，纯度99.999％，气态气体，500000cm3±100cm3无水乙醇：C2H5OH，纯度99.99％，液态液体，2000mL±10mL制备方法如下：(1)预处理铁、铜、锰、镍颗粒①将铁、铜、锰、镍颗粒置于烧杯中，加入无水乙醇300mL，超声震荡清洗30min，清洗后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度200℃，真空度2Pa，干燥时间30min；(2)配料称取铁11.98g±0.001g、铜13.63g±0.001g、锰11.79g±0.001g、镍12.6g±0.001g、海绵钛50g±0.1g；(3)熔炼制备高熵合金锭：铁铜锰镍高熵合金的熔炼是在真空电弧熔炼炉中进行的，是在抽真空、充氩气、熔炼高熵合金过程中完成的；①放置原料打开真空电弧熔炼炉，清理熔炼炉内部，并用无水乙醇进行清洗，使熔炼炉内部洁净；将海绵钛放入水冷铜模辅助熔池中；将铁、铜、锰、镍原料按照熔点由低到高、自下而上的顺序放置到水冷铜模主熔池内；关闭炉门，密闭；②抽真空、充氩气开启真空泵，抽空炉内空气，使炉内压强达0.005Pa，关闭真空泵；开启氩气阀，输入氩气至半个大气压，关闭氩气阀；重复该步骤3次以清洗真空室；③熔炼海绵钛熔炼海绵钛，以消耗真空室内的残余氧气；将电弧枪移至海绵钛上方5mm处，以20A的电流引弧；④引弧后熔炼电流逐渐增至250A～300A，将合金元素熔至液态后停留120s～180s，关闭电流电弧；待铸锭在水冷铜模上冷却后利用机械臂翻转铸锭，以相同方法再次熔炼铸锭，该步骤重复7次；第3次到第7次熔炼过程中开启电磁搅拌器以保证合金均匀性，电磁搅拌电流保持在3～5A；熔炼完成后得到铁铜锰镍高熵合金；⑤取样铸锭随炉冷却至25℃，开启放气阀充入空气，待内外气压平衡后开启炉门取出铸锭；(4)清理、清洗高熵合金铸锭将铁铜锰镍高熵合金铸锭置于钢质平板上，用400目砂纸打磨正反表面及周边，使表面光洁；然后用无水乙醇清洗各部，使其洁净；(5)真空干燥高熵合金铸锭将铁铜锰镍高熵合金铸锭置于真空干燥箱中，干燥温度100℃，真空度2Pa，干燥时间10min；(6)检测、分析、表征对制备的铁铜锰镍高熵合金铸锭的形貌、组织、力学性能进行检测、分析、表征：用金相显微镜进行金相组织分析；用X射线衍射仪进行晶体结构分析；用扫描电子显微镜进行微观形貌和化学元素分析；用微机控制电子万能试验机进行力学性能分析；结论：铁铜锰镍高熵合金为块状铸件，由面心立方和体心立方固溶体组成，硬度达193HV、抗拉强度达509MPa、屈服强度达181MPa、延伸率达37.3％。...

【技术特征摘要】
1.一种铁铜锰镍高熵合金的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铁、铜、锰、镍、海绵钛、氩气、无水乙醇，组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位铁：Fe，纯度99.99％，固态颗粒，11.98g±0.001g铜：Cu，纯度99.99％，固态颗粒，13.63g±0.001g锰：Mn，纯度99.99％，固态颗粒，11.79g±0.001g镍：Ni，纯度99.99％，固态颗粒，12.6g±0.001g海绵钛：Ti，纯度95％，固态块体，50g±0.1g氩气：Ar，纯度99.999％，气态气体，500000cm3±100cm3无水乙醇：C2H5OH，纯度99.99％，液态液体，2000mL±10mL制备方法如下：(1)预处理铁、铜、锰、镍颗粒①将铁、铜、锰、镍颗粒置于烧杯中，加入无水乙醇300mL，超声震荡清洗30min，清洗后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度200℃，真空度2Pa，干燥时间30min；(2)配料称取铁11.98g±0.001g、铜13.63g±0.001g、锰11.79g±0.001g、镍12.6g±0.001g、海绵钛50g±0.1g；(3)熔炼制备高熵合金锭：铁铜锰镍高熵合金的熔炼是在真空电弧熔炼炉中进行的，是在抽真空、充氩气、熔炼高熵合金过程中完成的；①放置原料打开真空电弧熔炼炉，清理熔炼炉内部，并用无水乙醇进行清洗，使熔炼炉内部洁净；将海绵钛放入水冷铜模辅助熔池中；将铁、铜、锰、镍原料按照熔点由低到高、自下而上的顺序放置到水冷铜模主熔池内；关闭炉门，密闭；②抽真空、充氩气开启真空泵，抽空炉内空气，使炉内压强达0.005Pa，关闭真空泵；开启氩气阀，输入氩气至半个大气压，关闭氩气阀；重复该步骤3次以清洗真空室；③熔炼海绵钛熔炼海绵钛，以消耗真空室内的残余氧气；将电弧枪移至海绵钛上方5mm处，以20A的电流引弧；④引弧后熔炼电流逐渐增至250A～300A，将合金元素熔至液态后停留120s～180s，关闭电流电弧；待铸锭在水冷铜模上冷却后利用机械臂翻转铸锭，以相同方法再次熔炼铸锭，该步骤重复7次；第3次到第7次熔炼过程中开启电磁搅拌器以保证合金均匀性，电磁搅拌电流保持在3～5A；熔炼完成后得到铁铜锰镍高熵合金；⑤取样铸锭随炉冷却至25℃，开启放气阀充入空气，待内外气压平衡后开启炉门取出铸锭；(4)清理、清洗高熵合...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇宏，程鹏，王帅，侯华，郭庆伟，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14