一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备的中熵合金及其应用技术

本发明专利技术提供一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备的中熵合金及其应用。该方法包括以下步骤：S1：制备中熵合金铸锭；S2：制备表面平整的中熵合金板材；S3：将板材与超声波滚压加工头分别固定于数控机床上，下压力为300N

【技术实现步骤摘要】
一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备的中熵合金及其应用


[0001]本专利技术涉及金属材料加工领域，更具体地涉及一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备的中熵合金及其应用。

技术介绍

[0002]氢能产业迅速发展，但其储运过程中的储氢容器、压力管道等在服役过程中会发生氢脆失效的风险。现有临氢构件中选用的传统高强钢铁材料极易在氢环境下发生无预警脆断，增加了安全事故的发生率。而具有优异性能的中高熵合金的出现为解决这一问题提供了思路。中熵合金是近几年快速发展起来的一种新型材料，其具备良好的延展性、韧性、高耐磨性和耐腐蚀性，在临氢构件中具有广阔的应用前景。
[0003]研究表明对于均质金属材料，细小的晶粒尺寸和高密度的孪晶可以有效抑制氢致损伤，前者可防止氢致沿晶断裂，后者可阻碍氢致微裂纹的生长与扩展。这意味着在结合中熵合金的基础上，在材料表层同时引入超细晶和高密度孪晶，材料的抗氢损伤能力或能得到进一步提升。通过超声滚压加工工艺对材料表层施加大塑性变形即可形成此种表面梯度纳米孪晶结构，梯度层厚度可达几百微米，提供了较大的工艺与梯度结构设计窗口。然而，如何通过界定表层的变形条件，以实现晶粒尺寸和孪晶密度梯度等微观参量的精准调控，进而获得较好的抗氢渗透与抗氢损伤的能力仍然是目前面临的技术难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备得到的中熵合金及其应用，从而解决现有技术中缺乏有效提升中熵合金抗氢脆性能的方法的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法，包括以下步骤：S1：将所选用的中熵合金原材料制备成中熵合金铸锭；S2：通过车床加工将所述中熵合金铸锭制备成表面平整的中熵合金板材；S3：将步骤S2所得中熵合金板材与超声波滚压加工头分别安装固定在数控机床上，设置加工头下压力为300N
‑
450N，走刀速度为1500
‑
2500mm/min，走刀路线为“之”字型；S4：设置并启动超声波发生器，调节超声频率为15
‑
18kHz，振幅选择为10
‑
16μm；S5：开启机床，对待加工中熵合金板材表面进行覆盖滚压加工，加工过程中使用柴油对所加工表面进行不间断冷却与润滑；S6：卸下所述中熵合金板材并翻转，对另一面进行同样的操作；S7：将步骤S5、S6重复多遍，使得所述中熵合金板材表面经受多次反复超声滚压加工，即可获得一种抗氢脆性能得到提升的中熵合金。
[0007]所选用的中熵合金包括：CoCrNi合金、CoNiV合金等等。
[0008]表面细晶层的厚度随处理遍数的增加而增加，当表面形成细晶层后，滚压产生的能量向材料内部传递，使内部晶粒发生变形，形成纳米梯度结构，滚压遍数影响梯度层厚度，但过多的滚压遍数会使材料损失更多塑性。步骤S7中，所述超声滚压加工遍数为15
‑
25
次。
[0009]进一步优选的，所述超声滚压加工遍数设置为25遍。
[0010]优选的，步骤S3中，所述加工头下压力设置为400N。该参数根据原始CoCrNi材料的屈服强度进行选用，可以使材料表面产生较大的塑性变形而不影响材料表面损伤。应当理解的是，针对其他成分的中熵材料，也可选用其他的加工头下压力值。
[0011]应当理解的是，超声滚压振幅是影响微观结构变形主要因素。当振幅较小时，材料表层变形不明显。只有当振幅超过一定值时，微观结构才开始发生变形，且振幅越大变形层厚度越大，但振幅过大会使材料便面粗糙度变大，影响材料表面质量。进一步优选的，步骤S4中，超声频率设置为18kHz，振幅设置为16μm。
[0012]所述方法还包括：将步骤S7所得中熵合金板材通过线切割加工成测试试样，然后将所述测试试样的两端夹持在配备原位电化学充氢装置的万能试验机上进行慢应变速率拉伸试验，以实现对材料抗氢脆性能的测量。
[0013]根据本专利技术的第二方面，提供一种根据上述方法制备得到的抗氢脆性能得到提升的中熵合金。
[0014]根据本专利技术的第三方面，提供一种抗氢脆性能得到提升的中熵合金在核电领域和航天领域中的应用。
[0015]应当理解的是，所谓中熵合金，是指金属结构熵在0.69R～1.5R(R为气体常数)之间的金属材料。本专利技术适用于任何中熵合金板材的加工，如CoCrNi合金、CoNiV合金。
[0016]中熵合金作为近年来的新兴材料，已有一些研究报道其氢脆性能，在氢环境下，其力学性能发生很大程度的劣化，但对于提高其抗氢脆性能的工艺方法鲜有报道。本专利技术方法通过塑性变形加工，在合金内部引入梯度的变形孪晶结构，通过变形孪晶阻碍氢致裂纹的扩展，减少了材料在氢环境下的力学性能劣化，使得中熵合金材料可被应用于复杂严苛的环境中，如核电，航天领域。
[0017]根据本专利技术提供的一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法，通过超声滚压加工，在中熵合金材料表面引入变形层，变形层的厚度与超声滚压加工头下压力紧密相关。专利技术人研究发现，下压力过小，引入的变形孪晶密度较小，不能有效的抵抗氢致裂纹的扩展，下压力过大，变形塑性层深度过大，材料加工后延性损失较大。根据本专利技术的一个优选方案，通过下压力400N的加工后，在材料表层引入250μm的塑性变形层，材料在氢环境测试下，延性几乎没有损失，与未进行超声滚压的试样对比，抗氢脆能力以及屈服抗拉强度得到同时提升。本专利技术通过对超声加工后的中熵合金进行电子通道衍射表征以及原位的氢环境拉伸试验界定表层的变形条件，引入变形层厚度、屈服强度、抗拉强度和氢环境塑性损失等关键指标。根据本专利技术方法所制备得到的抗氢脆中熵合金，变形层厚度大约为250μm，屈服强度为800
‑
900MPa，抗拉强度为900
‑
1000MPa，氢环境塑性损失0
‑
8％。
[0018]综上所述，根据本专利技术提供的一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法以及制备得到的中熵合金及其应用，其相对现有技术具有以下有益效果：
[0019]1)根据本专利技术制备的中熵合金在室温下具有良好的塑性和韧性，利用室温下的表面剧烈塑性变形加工，使合金表层晶粒显著细化，内部位错和孪晶变形，形成由表面到内部基体晶粒度逐渐增大的纳米梯度组织，从而提高合金的抗氢脆性能。
[0020]2)采用超声滚压工艺有效地消除了材料内部的成分偏析和受力不均匀等问题，通
过超声滚压引入表面残余压应力，形成的纳米晶层晶粒细小、分布均匀。
[0021]3)所述方法工艺简单，适用性强，亦可在其他成分中熵合金中推广，制备得到优异抗氢损伤性能的中熵合金材料。
[0022]4)根据本专利技术方法减少了材料在氢环境下的力学性能劣化，使得该中熵合金材料可被应用于复杂严苛的环境中，包括核电领域、航天领域等。
附图说明
[0023]图1为实施例1中制备得到的中熵合金的微观组织图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调控中熵合金抗氢脆性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将所选用的中熵合金原材料制备成中熵合金铸锭；S2：通过车床加工将所述中熵合金铸锭制备成表面平整的中熵合金板材；S3：将步骤S2所得中熵合金板材与超声波滚压加工头分别安装固定于数控机床上，设置加工头下压力为300N
‑
450N，走刀速度为1500
‑
2500mm/min，走刀路线为“之”字型；S4：调节超声频率为15
‑
18kHz，振幅选择为10
‑
16μm，启动超声波发生器；S5：开启机床，对待加工中熵合金板材表面进行覆盖滚压加工，加工过程中使用柴油对所加工表面进行不间断冷却与润滑；S6：卸下所述中熵合金板材并翻转，对另一面进行同样的操作；S7：将步骤S5、S6重复多遍，使得所述中熵合金板材表面经受多次反复超声滚压加工，即可获得一种抗氢脆性能得到提升的中熵合金。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，孙彬涵，成慧杰，周晶晶，陆体文，涂善东，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：