一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于新材料技术领域，具体涉及一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金及其制备方法。该高熵合金包括Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Ti和Zr元素，析出的沉淀相为多尺度分布结构，且与BCC保持共格关系，其合金成分表达式为(Al,Ti,Zr)

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于新材料
，具体涉及一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]高熵合金的出现颠覆了传统合金的设计理念，为高性能新材料的研发开辟了新的方向。高熵合金是一种没有溶质和溶剂原子之分的多主元合金，其多组元混合的高熵效应使其更容易形成简单结构的固溶体合金，如FCC、BCC、HCP及有序超结构等。其结构特点为长程有序和化学无序，使得该类合金表现出诸多异于传统合金的变形机理。高熵合金的特殊效应使其表现出很多优异的性能，如高硬度、高强度、高耐磨性、优异的耐高温性、高的磁饱和度、良好的抗疲劳性、良好的抗氧化性等。高熵合金往往兼具多种优异性能，在极端服役环境中具有很大的应用潜力。目前研究最多的是FCC基高熵合金，由于该类合金塑性低，通过变形加工处理及组织结构调控很容易获得强塑性匹配良好的合金材料，例如通过轧制和退火处理得到的具有共格纳米层状的Ni32.8Fe21.9Co21.9Cr10.9Al7.5Ti5.0合金表现出超过2GPa的屈服强度和16％的均匀延伸率。而BCC基高熵合金往往硬度高、高温强度高，然而其较低的塑性大大限制了该类合金的开发和应用，如何制备强塑性匹配良好的BCC基高熵合金成为亟待解决的问题。
[0003]合金的力学性能与其组织结构密切相关，BCC基高熵合金的高强度和低塑性来源于其自身的晶体结构和组织结构特点。一方面，BCC晶体结构滑移系少，位错运动阻力大，导致强度高，但很难实现塑性变形；另一方面，目前报到的BCC基高熵合金多为调幅分解结构，例如AlCoCrFeNi、AlCoCrFeMnNi等，这种由BCC和B2相形成的交织互锁的调幅分解结构，极大地降低了合金的塑性变形，极易导致脆性断裂。BCC晶体结构的固有属性很难改变，因此，要改善BCC基高熵合金的强塑性匹配可以从调控其组织结构入手。研究表明多尺度异质结构的引入可以增加合金的协调变形能力，实现强塑性的协同提升。同时，BCC和B2相之间存在共格关系，共格界面既可以阻碍位错运动也可以通过位错，也可以一定程度上同时提高强塑性。总之，在BCC基高熵合金中通过调控共格B2相的尺寸和分布形成多尺度结构的组织形态，可以有望协同提高BCC基高熵合金的强塑性，从而提供一种新型结构的高强韧BCC基高熵合金，促进该类新型合金的开发和应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金及其制备方法，所制备的高熵合金具有优异的压缩性能，以解决当前BCC基高熵合金强塑性匹配较差的问题。采用的技术方案为：
[0005]一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金，包含Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Ti和Zr元素，析出的沉淀相为多尺度分布结构，且与BCC保持共格关系，其合金成分表达式为(Al,Ti,Zr)
x
(Fe,Cr,Mn)
y
(Co,Ni)
z
，其中，原子比x＝0～30％，y＝0～60％，x＝0～40％，且满足x+y+z＝
100％。
[0006]优选的，合金的压缩屈服强度大于1GPa，塑性大于35％。
[0007]一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
[0008]步骤一、选取高纯组元的Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Ti和Zr作为原材料，对每一种原材料在酒精中超声清洗5
‑
10分钟，以除去表面吸附的杂质，将合金成分的原子百分比转化成质量百分比，按质量百分比称重配料；
[0009]步骤二、对步骤一处理好的原材料进行布料，按照原料密度由低到高，从下到上的顺序放入铜坩埚，保证在熔炼过程中低密度合金上浮，高密度合金下沉，由此形成的密度差可以一定程度上使合金溶体更加均匀；
[0010]步骤三、合炉并进行抽真空，当真空度达到4
×
10
‑3Pa时，充入0.05MPa的高纯氩气进行保护，逐渐加电流进行熔炼，将合金锭翻转并反复熔炼五到六次，以保证合金样品熔炼的均匀性，最后随炉冷却得到所述铸态合金样品。
[0011]优选的，所述步骤三中，加电流至300
‑
400A熔炼，保持一分钟，再翻转进行熔炼，每次至少保持1分钟，反复熔炼五到六次。
[0012]对步骤三制备的铸态合金样品的组织结构进行XRD、OM和SEM表征，利用维氏硬度及对其硬度进行测试，利用Instron
‑
5982型万能试验机进行室温压缩性能测试。由此确定出本专利技术为上述的一种具有优异压缩性能的多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金。
[0013]优选的，所选每一种合金原材料均为纯度达99.9wt％的工业级纯原料。
[0014]本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
[0015](1)本专利技术合金成分组元搭配科学、合理。过渡族金属元素Co、Cr、Fe、Mn、Ni之间相互作用力较弱，而与Al、Ti、Zr元素具有较强的相互作用力，且Cr、Fe、Mn为BCC相稳定元素，Co、Ni为FCC相稳定元素。根据团簇结构模型，FCC固溶体结构的团簇为配位数为CN12的立方八面体，BCC固溶体结构的团簇为配位数为CN14的菱形十二面体，过渡族元素可以作为团簇原子，而Al、Ti、Zr元素可以作为连接原子，形成[Al/Ti/Zr
‑
M14]的BCC结构团簇，其中M为过渡族金属元素。另外，Co、Ni能与Al、Ti、Zr元素形成B2相，Cr、Fe、Mn为BCC相的主要形成元素，通过调节Al/Ti/Zr的含量来调控BCC相和其共格的B2相之间的晶格错配度，来控制B2析出相的形貌和尺寸，从而形成多尺度的分布结构。
[0016](2)本专利技术的多尺度结构BCC基高熵合金具有多重强化和韧化机理。其中，强化机理包括：多种组元混合的固溶强化、不同尺度析出相的沉淀强化、BCC与B2相之间的共格界面强化、高密度的相界面强化等。韧化机制包括：多尺度分布的B2析出相可以很大程度上阻碍裂纹的扩展，防止脆性断裂，共格界面可以吸收位错，一定程度上提高合金的塑性。
[0017](3)本专利技术的多尺度结构BCC基高熵合金室温硬度高于350HV，压缩屈服强度大于1GPa，断裂强度大于3000MPa，塑性大于40％，其强塑性匹配远超目前报道的其他BCC高熵合金。
[0018](4)本专利技术的多尺度结构BCC基高熵合金综合力学性能优良，其可通过真空电弧熔炼直接得到共格沉淀相呈多尺度分布的结构，不需要额外的变形工艺和热处理工艺处理，该合金各元素容易获得，其制备简单。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1、2、3获得的铸态的XRD图；
[0020]图2是本专利技术实施例1铸态合金Al
15.6
Cr
21.1
Fe
21.1
Mn
21.1
Ni
21.1
的SEM图(a、b)和压缩应力<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金，其特征在于，包括Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Ti和Zr元素，析出的沉淀相为多尺度分布结构，且与BCC保持共格关系，其合金成分表达式为(Al,Ti,Zr)
x
(Fe,Cr,Mn)
y
(Co,Ni)
z
，其中，原子比x＝0～30％，y＝0～60％，x＝0～40％，且满足x+y+z＝100％。2.根据权利要求1所述的一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金，其特征在于，合金的压缩屈服强度大于1GPa，塑性大于35％。3.根据权利要求1所述的一种多尺度共格沉淀相BCC基高熵合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、选取高纯组元的Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Ti和Zr作为原材料，对每一种原材料在酒精中超声清洗5
‑
10分钟，以除去表面吸附的杂质，将合金成分的原子百分比转化成质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽军，魏雪明，张春芝，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：