一种Cr-Fe-Mn-Ni-Al系高比强度多尺度结构高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，特别涉及一种Cr

【技术实现步骤摘要】
一种Cr
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Fe
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Mn
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Ni
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Al系高比强度多尺度结构高熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，特别涉及一种Cr
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Fe
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Mn
‑
Ni
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Al系高比强度多尺度结构高熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]低密度、高比强度材料的开发和应用对于航空航天、轨道交通等行业的发展至关重要。当前传统轻质合金材料，如铝合金、镁合金等已经得到了广泛应用。尽管该类材料密度低，但是其强度往往不高，很难满足日益增长的苛刻服役环境的需求，如高温、高压、腐蚀、磨损等恶略环境。而镍基高温合金以高温强度优异著称，往往应用在航空发动机的制造上，但是由于镍基高温合金密度高(8.2g/cm3)增加了飞行器的重量，限制了推重比的增加。目前，随着我国加大对深空、深海和极地的探索开发，大大增加了对设备服役性能的要求，往往需要具有更高综合性能的材料。依据传统合金设计理念设计的低密度、高比强度材料已经达到了瓶颈。
[0003]近年来，高熵合金的提出打破了传统合金单主元的设计理念，该类合金以多种主元为基础形成简单结构的固溶体，其代表了一种新的合金设计理念。高熵合金最大的特点是长程结构有序而化学无序，其表现出的独特效应，包括高熵效应、迟缓扩散效应、严重的晶格扭曲以及鸡尾酒效应。这些特性使得高熵合金表现出很多优异的综合性能，例如兼具高强塑性的(FeCoNi)
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Al7Ti7合金、高强耐蚀的CoNiV合金、高强耐磨的(TiNbZr)
75
Ag
25
合金等。高熵合金的设计理念大大拓宽了合金的设计范围，为开发设计新型低密度、高比强度材料提供了新的思路。利用高熵合金多主元的设计思路，开发一种能在复杂工况下使用的低密度、高比强度合金，对航空航天、轨道交通等领域的发展具有现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，针对目前传统镁合金、铝合金等轻质合金强度低，而镍基和铁基合金密度高、比强度低的问题，提供一种具有多尺度结构的Cr
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Mn
‑
Fe
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Ni
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Al系高比强度高熵合金及其制备方法，该合金具有密度低、高温硬度高、高温比强度高、抗软化性能好的特点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]一种Cr
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Fe
‑
Mn
‑
Ni
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Al系高比强度多尺度结构高熵合金，所述合金的通式为Cr
a
Mn
b
Fe
c
Ni
d
Al
e
，其中，a、b、c、d和e为摩尔比，10％≤a≤40％、10％≤b≤40％、10％≤c≤40％、10％≤d≤40％、10％≤e≤30％，且a+b+c+d+e＝100％；
[0007]其制备方法，具体步骤如下：
[0008](1)选取颗粒状的合金原材料铬、锰、铁、镍、铝，对每一种原材料进行超声清洗5～10分钟，以除去表面吸附的杂质，配料前按照设计的通式中合金成分将摩尔比化成质量百分数，按质量百分数称重；
[0009](2)对步骤(1)中处理好的原材料按照原料密度由低到高，从下到上的顺序进行布料，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](3)合炉并进行抽真空，当真空度达到3
×
10
‑3Pa～5
×
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，将合金锭翻面并反复熔炼6次以上，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(1)中，所选每一种合金原材料均为纯度达99.9wt％的工业级纯原料。
[0012]优选的，所述步骤(3)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。
[0013]优选的，e＝16.7％，a+b+c+d＝83.3％，且a＝b＝c＝d。
[0014]最后，对步骤(3)制备的铸态合金样品的物相和微观组织结构分别进行XRD和SEM表征，利用高温硬度计进行硬度测试，利用热模拟试验机进行高温压缩性能测试。由此确定出本专利技术为上述的一种具有多尺度结构的Cr
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Mn
‑
Fe
‑
Ni
‑
Al系高比强度高熵合金。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的优点之处在于：
[0016](1)本专利技术的Cr
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Mn
‑
Fe
‑
Ni
‑
Al系高比强度高熵合金，元素搭配科学、合理。由于Co、Cr、Fe、Mn、Ni的元素性质和结构相似，可互溶形成简单结构的多主元合金，常作为高熵合金的基元元素，本专利技术摒弃了价格高昂且密度高的Co元素，增加了密度较低的Mn和Cr元素的比重，控制Fe和Ni元素的比例，其比例都达到20％以上，可保证低密度固溶体结构的形成。Al元素与其他过渡族金属元素具有负的混合焓，易与Ni形成的B2相，且Al具有较大的原子半径，通过Al含量的调控来调控不同相的晶格错配度，从而获得不同尺度的B2相，同时Al和Cr元素的加入也可以提高合金的抗高温氧化性能。
[0017](2)本专利技术的Cr
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Mn
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Fe
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Ni
‑
Al系高比强度高熵合金具有多重尺度分布的析出相，共格结构的B2相，以及其他非共格结构的金属间化合物相，在变形过程中存在多种强化机制，同时多种尺寸的沉淀相对裂纹的形成和扩展也起到一定的阻碍作用。
[0018](3)本专利技术的Cr
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Mn
‑
Fe
‑
Ni
‑
Al系高比强度高熵合金与传统铁基和镍基合金比具有较大的密度优势，经测量该体系合金密度在7.1g/cm3以下。且该体系高熵合金具有优良的室温和高温力学性能，其室温、400℃和600℃下的比屈服强度高达178MPa/(g/cm3)、156MPa/(g/cm3)、96MPa/(g/cm3)，优于传统Inconel 718镍基合金。
[0019](4)本专利技术的Cr
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Mn
‑
Fe
‑
Ni
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Al系高比强度高熵合金可通过真空熔炼直接得到，不需要后期的变形处理和热处理，制备方法简便，可操作性强。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例1、2、3获得的铸态的XRD图；
[0021]图2是本专利技术实施例1铸态合金Al本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cr
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Fe
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Mn
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Ni
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Al系高比强度多尺度结构高熵合金，其特征在于，所述合金的通式为Cr
a
Mn
b
Fe
c
Ni
d
Al
e
，其中，a、b、c、d和e为摩尔比，10％≤a≤40％、10％≤b≤40％、10％≤c≤40％、10％≤d≤40％、10％≤e≤30％，且a+b+c+d+e＝100％；其制备方法，具体步骤如下：(1)选取颗粒状的合金原材料铬、锰、铁、镍、铝，对每一种原材料进行超声清洗5
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10分钟，以除去表面吸附的杂质，配料前按照设计的通式中合金成分将摩尔比转化成质量百分数，按质量百分数称重；(2)对步骤(1)中处理好的原材料按照原料密度由低到高，从下到上的顺序进行布料，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；(3)合炉并进行抽真空，当真空度达到3
×
10
‑3Pa～5
×

【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：