一种兼具强度和韧性的高熵合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种兼具强度和韧性的高熵合金及其制备方法，属于金属材料领域。该高熵合金按摩尔比计为AlaCrbFecNidVe；该方法首先将Al、Cr、Fe、Ni和V置于熔炼炉内，在保护气体的保护下，于一定真空度下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；再将合金锭翻转后进行电弧熔炼、搅拌和冷却，得到该AlCrFeNiV高熵合金。所述高熵合金结构简单、力学性能优异，强韧性匹配较好；所述方法，简单可靠，安全性好，经济价值高。

权利要求

1.一种兼具强度和韧性的高熵合金，其特征在于：所述高熵合金按摩尔比计为AlaCrbFecNidVe，其中，a＝0.5～1.0，b＝0.9～1.0，c＝0.8～1.0；d＝1.5～3.0；e＝0.1～

0.3。

2.根据权利要求1所述的一种兼具强度和韧性的高熵合金，其特征在于：所述a＝0.5～

0.75、b＝0.9、c＝1.0、d＝2.0～3.0和e＝0.2。

3.一种如权利要求1或2所述的兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)将Al、Cr、Fe、Ni和V置于熔炼炉内，在保护气体的保护下，于真空度小于等于1.0×

10﹣3MPa下进行电弧熔炼，得到合金液，磁场搅拌，冷却，得到合金锭；

(2)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

(3)重复步骤(2)2次以上，得到所述兼具强度和韧性的高熵合金。

4.根据权利要求3所述的一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，其特征在于：所述Al、Cr、Fe、Ni和V纯度大于等于99.7wt％。

5.根据权利要求3所述的一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氩气。

6.根据权利要求3所述的一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼炉为高真空非自耗电弧熔炼炉。

说明书

一种兼具强度和韧性的高熵合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种兼具强度和韧性的高熵合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

[0002] 高熵合金是近年来在新的合金设计理念上发展起来的一类新型合金。它由四种及以上主要元素组成，可相应添加次要元素。每种主要元素摩尔含量大于5％，次要添加元素摩尔含量小于5％。区别于传统合金的单一主元，多主元的高熵合金具有独有的高熵效应，大晶格畸变效应，迟滞扩散效应以及鸡尾酒效应。这些特点使得高熵合金的综合力学性能优异，并且高熵合金突破了传统合金单一主元的发展限制，这极大的拓宽了合金的研究范围。

[0003] 目前，高熵合金的研究主要涉及合金成分设计，相形成机理，主要组成元素对合金组织、力学性能的影响，热处理对高熵合金组织和性能的影响，制备和应用等。已有研究表明高强度高熵合金一般塑性很差，而塑性优异的高熵合金一般强度较低，很难实现强度和韧性的匹配。例如AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金的压缩强度高达3200MPa，但是没有拉伸塑性；CoCrFeNi高熵合金的拉伸塑性大于60％，但是抗拉强度不到500MPa。

发明内容

[0004] 针对现有高熵合金强韧性匹配差的问题，本发明的目的之一在于提供一种兼具强度和韧性的高熵合金，所述高熵合金力学性能优异，强韧性匹配较好；目的之二在于提供一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，所述方法，简单可靠，安全性好，经济价值高。

[0005] 本发明的目的由以下技术方案实现：

[0006] 一种兼具强度和韧性的高熵合金，所述高熵合金按摩尔比计为AlaCrbFecNidVe，其中，a＝0.5～1.0，b＝0.9～1.0，c＝0.8～1.0；d＝1.5～3.0；e＝0.1～0.3；

[0007] 所述a、b、c、d和e的取值优选a＝0.5～0.75、b＝0.9、c＝1.0、d＝2.0～3.0和e＝0.2。

[0008] 一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，所述方法具体步骤如下：

[0009] (1)将Al、Cr、Fe、Ni和V置于熔炼炉内，在保护气体的保护下，于真空度小于等于1.0×10﹣3MPa下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

[0010] 其中，所述搅拌为磁场搅拌；所述保护气体优选氩气；所述熔炼炉优选高真空非自耗电弧熔炼炉；

[0011] 所述Al、Cr、Fe、Ni和V纯度大于等于99.7wt％；

[0012] (2)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

[0013] (3)重复步骤(2)2次以上，得到本发明所述兼具强度和韧性的高熵合金。有益效果[0014] (1)本发明所述高熵合金的力学性能优异，强韧性匹配较好；

[0015] (2)本发明所述高熵合金具有优异的热稳定性，经DSC测定合金加热至熔化前无相变发生；

[0016] (3)本发明所述制备方法简单可靠，选用的几种元素均无毒且获取方便，安全性好，经济价值高。

附图说明

[0017] 图1为实施例制备得到的高熵合金的X射线衍射(XRD)谱图；

[0018] 图2为实施例1制备得到的Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金的光学显微镜照片；

[0019] 图3为实施例2制备得到的Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的光学显微镜照片；

[0020] 图4为实施例3制备得到的AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金的光学显微镜照片；

[0021] 图5为实施例1制备得到的Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；

[0022] 图6为实施例2制备得到的Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；

[0023] 图7为实施例3制备得到的AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金的扫描电子显微镜(SEM)照片；

[0024] 图8为实施例制备得到的高熵合金的拉伸应力-应变曲线；

[0025] 图9为实施例制备得到的高熵合金的DSC升温曲线；

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

[0027] 以下实施例中所使用的高真空非自耗电弧熔炼炉为中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的DHL-400型高真空非自耗电弧熔炼炉；

[0028] 对所得高熵合金的力学性能测试、组织结构和热稳定性表征信息如下：

[0029] (1)物相分析：采用日本理学公司SMARTLAB X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40KV和190mA，X射线源为CuKα(λ＝0.1542nm)射线。

[0030] (2)微观组织：采用德国Axio observer A1m型研究级金相显微镜和HITACHI S4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观组织表征；

[0031] (3)准静态拉伸力学性能测试：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温准静态拉伸试验，测试试样依据金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228.1-2010)国家标准中有关规定制成工字件试样，应变率10-3s-1；

[0032] (4)热分析：采用差示扫描量热法(DSC)进行热分析，DSC测试所用仪器为德国NETZSCH DSC 404F3，测试样品为薄片状，直径为4mm,厚度为0.5mm，质量小于20mg,测试升温速率为10K/s。

[0033] 以下实施例中所述单质Al、Cr、Fe、Ni和V的纯度均为99.9wt％。

[0034] 实施例1

[0035] 一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按摩尔比计为Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1；所述方法具体步骤如下：

[0036] (1)利用60号SiC砂纸和砂轮机去除单质Al、Cr、Fe、Ni和V表面杂质和氧化物，然后使用丙酮清洗，称量总质量为80g的Al、Cr、Fe、Ni和V，并超声清洗两次；

[0037] (2)将超声清洗后的Al、Cr、Fe、Ni和V置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度小于等于1.0×10﹣3MPa下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

[0038] (3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

[0039] (4)重复步骤(3)2次，得到本实施例所述Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金。

[0040] 用砂轮机将所得Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金表面氧化皮去除，然后用丙酮超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到直径20mm的模具中得到Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样。

[0041] 对所述Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，可知，Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)结构固溶体相和有序相(BCC)组成；

[0042] 对所述Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图2所示，扫描电子显微镜(SEM)照片如图5所示，可知，Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金表现为典型的树枝晶组织；其中，图2中灰色为BCC相组成的枝晶间，白色为FCC相组成的枝晶组织；图5中A区域为FCC相组成的枝晶组织，B区为BCC相组成的枝晶间，且枝晶间存在层片状和棒状两种调幅分解组织；

[0043] 对所述Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知，Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金的室温拉伸屈服强度为404MPa，抗拉强度为1142MPa，断裂延伸率为22.7％；

[0044] 对所述Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金测试样进行热分析，其DSC升温曲线如图9所示，可知，Al0.5Cr0.9Fe0.8Ni1.5V0.1高熵合金在加热至熔化前无相变发生，表现出良好的热稳定性。

[0045] 实施例2

[0046] 一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按摩尔比计为Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2；所述方法具体步骤如下：

[0047] (1)利用60号SiC砂纸和砂轮机去除单质Al、Cr、Fe、Ni和V表面杂质和氧化物，然后使用丙酮清洗，称量总质量为80g的Al、Cr、Fe、Ni和V，并超声清洗两次；

[0048] (2)将超声清洗后的Al、Cr、Fe、Ni和V置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的保护下，于真空度小于等于1.0×10﹣3MPa下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

[0049] (3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

[0050] (4)重复步骤(3)2次，得到本实施例所述Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金。

[0051] 用砂轮机将所得Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金表面氧化皮去除，然后用丙酮超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到直径20mm的模具中得到Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样；

[0052] 对所述Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，可知，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金由面心立方(FCC)结构固溶体相组成；

[0053] 对所述Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图3所示，扫描电子显微镜(SEM)照片如图6所示，可知，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金表现为典型的树枝晶组织，枝晶间存在尺寸小于100nm的球形纳米析出物。

[0054] 对所述Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金的室温拉伸屈服强度为570MPa，抗拉强度为873MPa，断裂延伸率为46.7％；

[0055] 对所述Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金测试样进行热分析，其DSC升温曲线如图9所示，可知，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金在加热至熔化前无相变发生，表现出良好的热稳定性。

[0056] 实施例3

[0057] 一种兼具强度和韧性的高熵合金的制备方法，所述高熵合金按摩尔比计为AlCrFeNi3.0V0.3；所述方法具体步骤如下：

[0058] (1)利用60号SiC砂纸和砂轮机去除单质Al、Cr、Fe、Ni和V表面杂质和氧化物，然后使用丙酮清洗，称量总质量为80g的Al、Cr、Fe、Ni和V，超声清洗两次；

[0059] (2)将超声清洗后的Al、Cr、Fe、Ni和V置于高真空非自耗电弧熔炼炉中，在氩气的﹣3保护下，于真空度小于等于1.0×10 MPa下进行电弧熔炼，得到合金液，搅拌，冷却，得到合金锭；

[0060] (3)将合金锭翻转后重复步骤(1)中的电弧熔炼、搅拌和冷却过程；

[0061] (4)重复步骤(3)3次，得到本实施例所述AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金。

[0062] 用砂轮机将制备得到的AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金表面氧化皮去除，然后用丙酮超声清洗两次，再将干净的合金锭置于高真空电弧熔炼翻转浇铸及离心浇铸系统，重熔后浇铸到直径20mm的模具中得到AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金测试样。

[0063] 对所述AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金测试样进行物相分析，其X射线衍射(XRD)谱图如图1所示，可知，AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)结构固溶体相组成；

[0064] 对所述AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金测试样进行微观组织分析，其光学显微镜照片如图4所示，扫描电子显微镜(SEM)照片如图7所示，可知，AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金表现为典型的层片状共晶组织，并且有初生相存在；

[0065] 对制备得到的所述AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金测试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图8所示，可知，AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金的室温拉伸屈服强度为704MPa，抗拉强度为1176MPa，断裂延伸率为9.8％；

[0066] 对所述AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金测试样进行热分析，其DSC升温曲线如图9所示，可知，AlCrFeNi3.0V0.3高熵合金在加热至熔化前无相变发生，表现出良好的热稳定性。

[0067] 本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。