高氮、多主元素、高熵、耐腐蚀性合金制造技术

公开了多主元素、耐腐蚀性合金。该合金具有以下组成，以重量百分数计：Co约13至约28、Ni约13至约28、Fe+Mn约13至约28、Cr约13至约37、Mo约8至约28、N约0.10至约1.00。该合金还包括预期用于相同或类似用途的耐腐蚀性合金中发现的常见杂质。此外，W和V中的一种或两种可代替部分或全部的Mo。该合金提供固溶体，其基本上是全FCC相，但是可包括不会不利地影响由合金提供的耐腐蚀性和机械性质的少量次生相。

High nitrogen, multi main elements, high entropy, corrosion resistant alloy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高氮、多主元素、高熵、耐腐蚀性合金专利技术背景专利
.本专利技术涉及耐腐蚀性奥氏体钢合金，并具体地涉及包括氮的多主元素、高熵、耐腐蚀性合金。相关领域的描述已知合金元素例如铬(Cr)、钼(Mo)和氮(N)改善钢合金的耐腐蚀性，特别是对在含氯化物的环境中的局部侵蚀的耐性。耐腐蚀性的程度可通过耐点蚀当量值(PREN)来预测。确定合金的PREN的已知等式是PREN=Cr(wt.%)+3.3xMo(wt.%)+16xN(wt.%)。其他元素，例如钨、铜和钒已被提议为对于耐腐蚀性有益的合金添加剂。Cr和Mo是强铁素体形成元素并可导致δ相和χ相的形成，这不利地影响耐点蚀性和机械性质两者。为了抵消使用较高量的Cr和Mo的不利影响，可向合金中加入奥氏体形成元素例如镍、钴和铜。这一实践已经导致对最严重腐蚀环境使用镍基和钴基合金。已知N的添加通常有益于耐腐蚀性和强度两者，但是氮的溶解度和不希望的氮化物的沉淀（尤其是在晶界处）限制了可添加的氮的总量。当镍和钴含量增加时，氮的溶解度变得愈来愈受到限制。在已知的奥氏体耐腐蚀性合金中，存在包括显著量Mo的镍基和钴基合金。在那些合金中，通过高镍含量或高钴含量来稳定高Mo含量。那些合金中的多数不含N的正添加。以注册商标MULTIMET®出售的合金N-155具有以下标称组成（以重量百分数计）：20%Ni、20%Co、20%Cr、3%Mo、2.5%W、1.5%Mn、1%Nb+Ta、0.15%N和0.1%C。合金的余量是铁和常见的杂质。那些合金基本上具有单一的成碱元素例如铁、镍或钴。r>合金设计传统上不考虑混合熵对合金相稳定性的贡献，因为在具有单一成碱元素的体系中混合熵较低。因为高熵合金(HEA)不具有单一成碱元素，所以它们采用位形熵来影响合金内的固体结构相的稳定性。根据定义，HEA由单一固溶相或固溶相的混合物组成。除了少数研究以外，固溶相具有体心立方(BCC)或面心立方(FCC)结构。HEA典型地由等原子或接近等原子比例的至少三种元素组成以使位形熵最大化。根据Guo等人，“Phasestabilityinhighentropyalloys:Formationofsolid-solutionphaseoramorphousphase（高熵合金中的相稳定性：固溶相或无定形相的形成）”，ProgressinNaturalScience:MaterialsInternational，第21卷，第433-446页(2011)（其全部通过引用合并于此），符合以下关于混合焓(ΔHmix)、混合熵(ΔSmix)和原子尺寸差异(δ)的定则的合金更可能提供固溶体结构。-22≤ΔHmix≤7kJ/molδ<8.5%ΔSmix≥11J/(Kmol)参数ΔHmix、δ和ΔSmix是已知的并且在技术文献中有定义。参见例如Guo等人第434页处。上述定则是基于来自各种公开发表的研究的实验结果，但是应该被认为是宽泛的指导方针。源于以上所列的定则的基本原理与涉及合金中的固溶体形成的休姆-罗瑟里(Hume-Rothery)定则重叠并且是设计具有固溶体结构的合金的合适的起点。混合焓不应太负或太正以便避免金属间相的形成和避免相分离。组成元素之间的原子尺寸差异应该最小化以防止晶格应变。而且，混合熵应该最大化。在主元素中，组成元素的电负性应该是类似的。形成的固溶相也涉及价电子浓度(VEC)。Guo等人还公开，当VEC大于约8时预测单相FCC结构，当VEC小于约6.87时预测单相BCC结构，且当6.87<VEC<8时预测混合的FCC/BCC结构。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供具有以下组成（以重量百分数计）的多主元素、耐腐蚀性合金：该合金还包括在预期用于相同或类似的用途的耐腐蚀性合金中发现的常见杂质。此外，W和V中的一种或两种可代替部分或全部的Mo。该合金提供固溶体，其基本上是全FCC相，但是可以包括不会不利地影响由该合金提供的耐腐蚀性和机械性质的少量次生相。根据本专利技术的另一方面，提供具有原子式(Fe,Mn)aCobNicCrx(Mo,W,V)y的多元素、耐腐蚀性高熵合金，其中a和b各自是12-35原子百分数(at.%)，c和x各自是12-40at.%，且y是4-20at.%。W和/或V可以在等原子的基础上代替部分或全部的Mo。该合金还包含至少约0.10%N至最多溶解度极限。在上述合金组合物中，选择元素以提供以下参数组合：-6kJ/mol≤ΔHmix≤0kJ/mol；2.00%<δ<4.5%；ΔSmix>12J/Kmol；并且价电子浓度大于约7.80。预期，在整个以下说明书中和所附权利要求书中，根据本专利技术的合金可包含或可基本上由上述元素组成。此处以及整个申请中，术语“百分数”和符号“%”表示重量百分数或质量百分数，除非另外指示。附图简述该图是根据本专利技术的合金的实施例5的洛氏硬度C(HRC)作为冷加工百分数的函数的曲线图。详述通过使用多元素合金、耐腐蚀性合金的设计中的上述参数，认为较大量的元素例如钼、钨和钒可包括在CoCrNiMnFe基合金中以提供基本上不含不希望的次生相的FCC固溶体结构。该合金还包括少量N作为间隙元素。包含Cr、Mn、Fe、Co和Ni的组合的等原子或接近等原子组合物提供根据本专利技术的高熵合金的多元素基础。选择成碱元素的组合是因为其满足概述的对HEA的限制。间隙元素例如N还没有在HEA设计构造中被广泛研究并且可能需要超出以上讨论的定则的新的设计考虑。具体地，应该避免使用ΔHmix作为普通术语以便恰当地设计其中不发生氮化物形成的合金。较大添加量的Mo、W或V连同在其溶解度极限处或接近其溶解度极限的N提供相比已知的Fe-基、Ni-基和Co-基不锈钢合金具有潜在更优的耐腐蚀性的新的合金体系。在本专利技术的高熵合金中存在镍和钴以帮助稳定优选的FCC相。通过减少不希望的有序相例如西格玛(σ)和缪(μ)相在固溶体中的沉淀，镍和钴也有益于合金的希望的单相性质。通过这种方式，镍和钴有益于由合金提供的延性。镍和钴是较昂贵的元素并因此它们的含量被限制以控制制造本专利技术的合金的成本。铬有助于由该合金提供的普遍的和局部的耐腐蚀性。还认为，铬帮助增加氮在合金中的溶解度。太多的铬通过促进有序相、类似西格玛相和/或氮化铬的沉淀而不利地影响机械性质（例如延性）和耐腐蚀性。该合金还含有约4至约20原子百分数(at.%)或至少约8重量%至最多约28重量%的钼以有益于合金对局部腐蚀例如点状腐蚀的耐性。太多的钼促进拓扑密堆积相的沉淀和稳定，这不利地影响耐腐蚀性和机械性质。类似铬，太多的钼不利地影响合金的延性和可加工性，因为其在较高温度下形成西格玛相。钨和/或钒可在等原子基础上代替部分或全部的钼。锰存在于本专利技术的合金中，因为其有益于氮在合金的固溶体中的溶解度。太多的锰降低合金的固相线温度，这会不利地影响热加工过程中的晶粒间强度。铁有助于表征该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多主元素、高熵、耐腐蚀性合金，其具有固溶相并且其中所述合金包含，以重量百分数计：/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170308 US 62/4686001.多主元素、高熵、耐腐蚀性合金，其具有固溶相并且其中所述合金包含，以重量百分数计：



和常见的杂质，其中W和V中的一种或两种可代替部分或全部的Mo。


2.如权利要求1所述的多主元素、耐腐蚀性合金，其中所述固溶相基本上由面心立方晶体结构组成。


3.如权利要求1所述的多主元素、耐腐蚀性合金，其中所述合金具有以下特性：
-6kJ/mol<ΔHmix<0kJ/mol,
ΔSmix>12J/(Kmol),
2.00%<δ<4.5%,且
所述合金的价电子浓度大于约7.80。


4.高熵、耐腐蚀性合金，其形成单相固溶体，所述合金具有式(Fe,Mn)aCobNicCrx(Mo,W,V)y，其中a、b、c、x和y如下，以原子百分数计：
12≤a≤35,
12≤b≤35,
12≤c≤40,
12≤x≤40,
4≤y≤20,
其中W和V可在等原子基础上代替部分或全部的Mo，并且其中所述合金包含至少约0.10%N至最多溶解度极限。


5.如权利要求4所述的高熵、耐腐蚀性合金，其中所述固溶相基本上由面心立方晶体结构组成。


6.如权利要求4所述的高熵、耐腐蚀性合金，其中所述合金具有以下特性：
-6kJ/mol≤ΔHmix≤0kJ/mol,
ΔSmix>12J/(Kmol),
2.00%<δ<4.5%,且
所述合金元素的价电子...

【专利技术属性】
技术研发人员：SJ克尔尼安，A波拉罗萨斯，
申请(专利权)人：CRS控股公司，
类型：发明
国别省市：美国;US