跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于中熵合金技术领域，具体涉及跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金及其制备方法。所述跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，在面心立方结构的FeCrNi基中熵合金中添加Al元素得到，各金属组分的摩尔比为Fe:Cr:Ni:Al=1:1:1:0.3，其跨尺度体心立方析出相的尺寸分别为10

【技术实现步骤摘要】
跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于中熵合金
，具体涉及跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属材料是人类最重要的材料之一，具有高强度、高塑性，高耐腐蚀性并且廉价的材料越来越被科学界和工业界关注。传统合金的设计原则一般是选择一种或两种元素为主，或者添加多种少量的元素来提高合金的综合性能。大家普遍认为在合金中添加大量元素，很容易形成金属间化合物或者复杂相，使合金的性能急剧下降。
[0003]高熵合金的出现，突破了传统的合金设计理念，给人们提供了一种新的设计思路。自2014年由中国学者叶均蔚教授明确提出并开始进行中/高熵合金的相关研究以来，因其显著优于常规金属材料性能的特质，如高硬度、高强韧性、耐高低温、耐腐蚀以及抗辐照等等，引起了国内外广泛的研究兴趣。目前，开发具有优良强韧组合性能的中/高熵合金仍是国内外研究的热点。多元高熵合金虽然拥有很多优异的性能，但由于其使用大量的贵金属元素，相对于传统的铁基合金材料其经济成本高，实现工业化生产面临困难。随着高熵合金发展到第二代非等原子比高熵合金，进一步拓宽了人们的视野和研究范围。本专利技术中的合金设计借助这一最新理念，设计出不含贵重金属元素的中熵合金。其不仅可以形成稳定的相结构，而且在经济成本上显著降低，同时具备相比高熵合金更加优异的拉伸性能。
[0004]具有单一面心立方（FCC）结构的中/高熵合金，具有优异的综合性能，但在工程应用中，这些面心立方中/高熵合金的延性往往过剩，而其室温强度尤其是屈服强度普遍不足。因此，对这些面心立方中/高熵合金进行恰当的组织设计，使其具有较好的强韧性是势在必行的。
[0005]沉淀强化是一种面心立方中/高熵合金最有效的强化方法，然而，在沉淀析出时，很多情况下容易析出大颗粒（几微米到几百微米）的脆性沉淀，这些沉淀虽然提供很高的强度但塑性牺牲尤其严重。为了缓解强度和韧性的矛盾制约，实现优异的强度
‑
韧性协同作用，可以通过调整成分和热处理来获得跨尺度沉淀析出，引入尺寸差异较大的跨尺度沉淀来提高材料的力学性能。跨尺度结构的合金内部在变形期间产生显著的应变梯度，界面形成大量的几何必须位错以协调变形，从而诱发显著的背应力强化，实现合金兼具高强度和高塑性的优异结合。因此，需要针对如何引入跨尺度的体心立方析出相进行研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：提供一种跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，在单相无序面心立方结构FeCrNi中熵合金中掺入Al元素，形成高密度跨尺度体心立方析出相镶嵌结构，具有优异的力学性能；本专利技术还提供其制备方法，工艺合理，简单易行。
[0007]本专利技术所述的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，在面心立方结构的等原子比FeCrNi基中熵合金中添加Al元素得到，各金属组分的摩尔比为Fe:Cr:Ni:Al=1:1:1:
0.3，其跨尺度体心立方析出相的尺寸分别为10
±
0.05μm、1.3
±
0.05μm与20
‑
100nm。
[0008]本专利技术所述的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金的制备方法，包括以下步骤：将Fe、Cr、Ni、Al金属单质混合熔炼，铸型，得到中熵合金板，然后依次进行均匀化热处理、轧制、退火处理，得到跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金。
[0009]优选的，Fe、Cr、Ni、Al金属单质的纯度均≥99.9%。
[0010]优选的，Fe、Cr、Ni、Al金属单质在熔炼前需要净化表面氧化物和清理表面杂质。具体的，将纯度≥99.99%的Fe、Cr、Ni、Al金属单质分别用砂轮机将表面氧化皮打磨干净，然后置于无水乙醇中进行超声处理，将原料表面的杂质去除干净，烘干备用。
[0011]优选的，金属单质原料的摩尔比为Fe:Cr:Ni:Al=1:1:1:0.3。
[0012]优选的，在熔炼时，采用高真空电弧熔炼炉，预抽真空至3
×
103Pa以下，返充99.99％的氩气作为保护气氛，将原料熔炼5~8次，制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中进行铸型。
[0013]优选的，得到中熵合金板尺寸为80mm
×
10mm
×
2mm。
[0014]优选的，均匀化热处理的温度为1050~1150℃，时间为4~6h。
[0015]优选的，轧制温度为室温，轧制至不锈中熵合金板厚度减少65~75%。
[0016]优选的，退火处理的温度为400~500
°
C，时间为1~3h。
[0017]优选的，本专利技术所制备的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，屈服强度σ
0.2
达到2.0GPa、抗拉强度σ
UTS
达到2.2GPa，断后伸长率≥10%，表现出优异的强度
‑
韧性协同效果，符合国家第三代高强合金的设计标准（以贝氏体、马氏体等高强度相为基体，其抗拉强度和断后伸长率的乘积在20～40GPa%），满足现代工业技术对材料应用的要求。
[0018]本专利技术提供的中熵合金中具有一种跨尺度体心立方析出相微观组织，不同于传统的引入微量元素诱导析出相体积分数较少且析出物尺寸单一。在已有的等原子比中熵合金FeCrNi的基础上，本专利技术通过添加(9.1
±
0.01)%（原子百分数）的Al，形成体积分数较高且尺寸差异较大的三种体心立方析出相。在热处理过程中控制适当的温度和时长，基体合金析出体心立方沉淀，沉淀不断长大逐渐包围基体，并向基体蔓延，最终形成大尺寸体心立方沉淀镶嵌于面心立方基体的两相微观组织。在沉淀分布区，包含有三种尺寸差异较大的析出物，大量细小的纳米级析出物弥散在中尺寸微米级析出物周围，两者尺寸分别为1.3
±
0.05μm与20
‑
100nm，如图2所示，两种析出相镶嵌于尺寸为10
±
0.05μm级别的大尺寸体心立方析出相中，三种析出物的总体积分数为45%。本专利技术制得的合金基体结构的微观组织仍为面心立方结构，塑性高但强度低，三种析出相尺度差异大，尺寸较大的析出相强度高但塑性差，尺寸较小的析出相弥散在大尺寸的析出物中，多种机制协同强化实现材料的超高强度，屈服强度从基体的360MPa提升了六倍达到2025MPa，塑性保持10%左右。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术采用价格较低的金属单质，在单相无序面心立方结构FeCrNi中熵合金中掺入Al元素，设计一种非等原子比FeCrNiAl
0.3
高强中熵合金，形成高密度跨尺度体心立方析出相镶嵌结构，多种机制协同强化实现材料的超高强度特性，同时成分不含贵重元素，显著降低了生产成本，为工业化生产和应用奠定基础；（2）本专利技术的制备过程采用常规的“铸造+轧制+热处理”工艺，降低了材料的制备
难度，获得由面心立方基体以及跨尺度体心立方析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，其特征在于：在面心立方结构的等原子比FeCrNi基中熵合金中添加Al元素得到，各金属组分的摩尔比为Fe:Cr:Ni:Al=1:1:1:0.3，其跨尺度体心立方析出相的尺寸分别为10
±
0.05μm、1.3
±
0.05μm与20
‑
100nm。2.根据权利要求1所述的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金，其特征在于：屈服强度σ
0.2
达到2.0GPa、抗拉强度σ
UTS
达到2.2GPa，断后伸长率≥10%。3.一种权利要求1或2所述的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将Fe、Cr、Ni、Al金属单质混合熔炼，铸型，得到中熵合金板，然后依次进行均匀化热处理、轧制、退火处理，得到跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金；退火处理的温度为400~500
°
C，时间为1~3h。4.根据权利要求3所述的跨尺度体心立方析出相镶嵌结构中熵合金的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志华，白天祥，张团卫，焦志明，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：