一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金及其制备方法，该合金的元素组成为V、Co和Ni。该制备方法为：通过重复冶炼，得到成分均匀的V、Co、Ni三种元素等原子配比的多主元合金铸锭；通过固溶处理，获得均匀的固溶态合金；通过热锻减少固溶态合金中的缺陷，将粗大的组织变成较细小晶粒的新组织；通过热轧提升材料均匀性，并在其中引入少量的位错，得到晶粒更为细小的均匀组织；通过冷轧，显著细化热轧板材晶粒，在材料中引入高密度的位错；最后，通过再结晶退火，在金属材料中引入高密度的化学短程有序结构。本发明专利技术构思合理，可同时获得超高屈服强度和大均匀延伸率的多主元合金，适于推广与应用。于推广与应用。于推广与应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及超细晶多主元合金的热处理及制备领域，具体涉及一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]优异力学性能是结构材料设计的首要目标，超高强度与适当韧/塑性的理想匹配，不仅能提升材料的结构应用安全性，还能减少材料用量，实现结构轻量化和节能减排。多主元合金，即中(高)熵合金，是近年来新开发的一类独特的合金体系，其丰富的成分和结构变化，极大拓展了新型合金材料研发的可能性。其中, 单相面心立方结构(FCC)多主元合金，相比于传统金属材料，尤其是钢铁材料而言，表现出优异的室/低温(20
‑
300 K)拉伸塑性(ε
u
)和断裂韧性(K
IC
)，引起学术和工程界广泛关注。然而，单相FCC多主元合金拉伸屈服强度(σ
0.2
)偏低，始终是限制其获得实际应用的最大障碍。因此，如何进一步在FCC多主元合金中提高σ
0.2
，并保持住本征的高韧/塑性，在超高强度等级(σ
0.2
≥1.5 GPa)下获得优异的强塑性匹配，逐渐成为新的研究热点，且具有重要的理论和实际意义。
[0003]为显著提升屈服强度，细晶强化和位错强化是两条十分有效的途径，即通过剧烈塑性变形(SPD)方法在材料内部引入大量晶体缺陷进行强化。然而，在超高屈服强度水平下，由于位错严重不足，传统林位错加工硬化机制失效，导致极低的均匀延伸率。因此，本领域亟需解决的问题在于：在FCC多主元合金中，如何在实现超高屈服强度(~2.0GPa)的同时，获得不低于10%的高均匀延伸率。
[0004]近来，有研究人员通过引入马氏体相变或纳米析出相，进一步提供额外加工硬化，在几种超高强度钢和FCC多主元合金中，实现了2.0GPa与10%左右的强塑性匹配。然而，上述强韧化策略仍存在如下问题：1)对于超高强度钢，虽然室温拉伸性能十分优异，但由于相变产物马氏体等体心立方结构(BCC)在低温下会出现韧
‑
脆转变，极大程度上限制了低温应用；2)为引入纳米析出相，往往通过添加多种合金元素，获得复杂金属间化合物，大大增加了力学性能对化学成分的敏感性；3)复杂的加工和热处理工艺、过多种类的合金元素以及严苛的成分配比，大大增加了工艺再现性和工程化应用难度。
[0005]为此，本专利技术提出了一种通过简单的化学成分设计、机械热加工方法以及后续短时热处理工艺，实现了一种具有高均匀延伸率(ε
u
≥15%)，以及超高强度(σ
0.2
≥2.0GPa)的FCC多主元合金，用于解决现有技术中实现优异强塑性匹配的技术瓶颈问题，并有望在其他多主元合金体系中得到推广应用。

技术实现思路

[0006]针对上述
技术介绍
中存在的技术问题,本专利技术提出了一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金及其制备方法，其构思合理，可解决现有技术中多主元合金无法同时获得超高屈服强度和大均匀延伸率的技术瓶颈问题，获得一种拉伸屈服强度接近2.0GPa且均匀延伸率≥15%的VCoNi多主元合金。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其元素组成为V、Co和Ni；所述合金中各元素的原子数量百分比范围为Co:30%~35%,Ni:30%~35%,V:30%~40%。
[0008]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其中：所述合金在完全再结晶的超细晶基体中同时存在化学短程有序（CSRO）和贯穿晶粒内部的层片L12金属间化合物。
[0009]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其中：所述超细晶基体的晶粒尺寸不超过500nm，所述CSRO的尺寸不超过1nm，所述L12的厚度不超过200nm；且所述超细晶基体的体积分数百分比为75
‑
82%，所述CSRO体积分数百分比为3%
‑
5%，所述L12的体积分数百分比为15
‑
20%。
[0010]一种所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其主要包括以下步骤：（1）采用V、Co、Ni元素，按照等原子比质量百分数进行成分配比，采用电弧熔炼技术，在氩气气氛下将钢锭铸入直径为d0的模具中，然后重复熔炼n0次，以确保成分均匀性，最终形成质量为m0的纺锤形铸锭；（2）对铸锭表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，先将铸锭在较慢的加热速率v1下缓慢加热至目标温度T0，随后在温度T0下进行时间t0的固溶处理，然后随炉冷却至目标温度T1，随后在空气中冷却；（3）对铸锭表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，在低于目标温度T2下放进加热炉，随后在目标温度T3下进行保温并开始锻造，终锻的目标温度为T4，最终锻造成目标厚度为δ1的热轧板坯；（4）对热轧板坯表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，在低于目标温度T2下放进加热炉，随后在目标温度T3下进行保温并开始轧制，终轧的目标温度为T4，对热轧板坯进行预定轧制时间t1及应变量ε1的多道次n1的高温轧制处理，最终轧制成目标厚度为δ2的热轧板材；（5）对上述步骤(4)中厚度为δ2的热轧板材进行预定应变量ε2的多道次n2的室温轧制处理，最终轧制成目标厚度为δ3的冷轧板材；（6）在预定温度T5下进行时间t2的再结晶退火，随后进行冷速为v2的快速冷却处理。
[0011]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其中：所述步骤（1）中，模具直径d0=100
‑
200mm，重复熔炼次数n0=3
‑
8，质量m0=10
‑
50kg。
[0012]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其中：所述步骤（2）中，加热速率v1=100
‑
300℃/h，目标温度T0=1100
‑
1200℃，时间t0=10
‑
30h，目标温度T1=900
‑
1100℃。
[0013]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其中：所述步骤（3）和所述步骤（4）中，目标温度T2=500
‑
800 ℃，T3=1000
‑
1200 ℃，目标厚度δ1=20
‑
60mm；其中目标温度T4的确定，由预先对步骤(2)所得固溶态进行DSC测试所获得的再结晶温度T
RX0
进行推算，推算的方法为T4=( T
RX0
+50~100)℃；其中目标厚度δ1由初始铸锭质量m0确定。
[0014]所述高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其中：所述轧制时间t1包括轧制前在前述T3温度下的保温时间为10min，以及所述热轧板材的轧制变形成型时间为3~5min；其中应变量ε1为米塞斯等效应变0.5~0.8，即轧制压下量约为70%；所述轧制道次n1=5
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其特征在于：所述合金的元素组成为V、Co和Ni；所述合金中各元素的原子数量百分比范围为Co:30%~35%,Ni:30%~35%,V:30%~40%。2.如权利要求1所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其特征在于：所述合金在完全再结晶的超细晶基体中同时存在化学短程有序（CSRO）和贯穿晶粒内部的层片L12金属间化合物。3.如权利要求2所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金，其特征在于：所述超细晶基体的晶粒尺寸不超过500nm，所述CSRO的尺寸不超过1nm，所述L12的厚度不超过200nm；且所述超细晶基体的体积分数百分比为75
‑
82%，所述CSRO体积分数百分比为3%
‑
5%，所述L12的体积分数百分比为15
‑
20%。4.一种如权利要求1至3任意一项所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法主要包括以下步骤：（1）采用V、Co、Ni元素，按照等原子比质量百分数进行成分配比，采用电弧熔炼技术，在氩气气氛下将钢锭铸入直径为d0的模具中，然后重复熔炼n0次，以确保成分均匀性，最终形成质量为m0的纺锤形铸锭；（2）对铸锭表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，先将铸锭在较慢的加热速率v1下缓慢加热至目标温度T0，随后在温度T0下进行时间t0的固溶处理，然后随炉冷却至目标温度T1，随后在空气中冷却；（3）对铸锭表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，在低于目标温度T2下放进加热炉，随后在目标温度T3下进行保温并开始锻造，终锻的目标温度为T4，最终锻造成目标厚度为δ1的热轧板坯；（4）对热轧板坯表面进行机械磨削加工，去除表面氧化皮之后，在低于目标温度T2下放进加热炉，随后在目标温度T3下进行保温并开始轧制，终轧的目标温度为T4，对热轧板坯进行预定轧制时间t1及应变量ε1的多道次n1的高温轧制处理，最终轧制成目标厚度为δ2的热轧板材；（5）对上述步骤(4)中厚度为δ2的热轧板材进行预定应变量ε2的多道次n2的室温轧制处理，最终轧制成目标厚度为δ3的冷轧板材；（6）在预定温度T5下进行时间t2的再结晶退火，随后进行冷速为v2的快速冷却处理。5.如权利要求4所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，模具直径d0=100
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200mm，重复熔炼次数n0=3
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8，质量m0=10
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50kg。6.如权利要求4所述的高均匀延伸率2.0GPa级多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，加热速率v1=100
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300℃/h，目标温度T0=1100
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1200℃，时间t0=10
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐博文，姜萍，袁福平，武晓雷，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：