一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法

摘要

本发明公开了一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，属于高性能合金制造领域。确定初始和终态调制周期、调制比、周期数以及非均质材料各层晶粒度，确定符合上述晶粒度的母合金，根据初始调制周期和调制比，将母合金加工成对应厚度，并清洁母合金表面，确定飞板和基板材料，计算焊接窗口并确定焊接参数，进行焊接得到单周期非均质高熵合金，对单周期非均质高熵合金成型，根据周期数，逐次焊接复合成型后的单周期非均质高熵合金，根据终态调制周期，对复合后的单周期非均质高熵合金进行冷变形，得到成品。通过高速碰撞焊接技术配合冷变形处理制备非均质高熵合金，极大优化高性能非均质高熵合金的制备方法，提高其性能水平和应用范围。

权利要求

1.一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定初始和终态调制周期、调制比、周期数以及非均质合金各层晶粒度；

步骤2，确定符合上述晶粒度的母合金；

步骤3，根据步骤1的初始调制周期和调制比，将母合金加工成对应厚度，并清洁母合金表面；

步骤4，确定飞板和基板材料，计算焊接窗口并确定焊接参数，进行焊接得到单周期非均质高熵合金；

步骤5，对单周期非均质高熵合金成型，根据步骤1中确定的周期数，逐次焊接复合成型后的单周期非均质高熵合金；

步骤6，根据终态调制周期，对步骤5中复合后的单周期非均质高熵合金进行冷变形，得到成品。

2.如权利要求1所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤2中的母合金，若时效强化且热处理温度相差小于50℃，选取固溶态合金；否则选取未经加工的退火态。

3.如权利要求2所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，若步骤2中选取固溶态合金，则步骤6中冷变形后还需进行用于恢复合金性能的时效处理。

4.如权利要求1所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤4所述焊接使用爆炸焊接、电磁脉冲焊接或金属薄膜气化冲击焊接中的一种。

5.如权利要求1所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤5中的成型，若单周期非均质高熵合金层数为2-3层，则焊接一次成型；若层数为4层及以上，则使用焊接逐层连接成型。

6.如权利要求5所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤5中的成型，若层数为4层及以上，逐成分依次连接，原则为先复合同种材料，再复合异种材料。

7.如权利要求1所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤6中的冷变形，使用轧制、拉拔或锻造中的一种。

8.如权利要求1所述可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，其特征在于，步骤6中的冷变形厚度压下量大于等于0％小于100％。

说明书

一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法

【技术领域】

[0001] 本发明属于高性能合金制造领域，尤其是一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法。【背景技术】

[0002] 高熵合金是2004年由叶均蔚提出以新的合金设计理念为基础的一类合金，每种元素含量均在5％以上，无明显优势元素，结构上一般为单相的FCC或者BCC，有时也有混合结构。高熵合金具有良好的热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性能，是目前被大力开发的一类高性能合金。

[0003] 但是部分高熵合金体系，如Fe40Mn40Co10Cr10，却表现出低温性能优良，室温强度有限的特点，限制了该类合金的实际使用。虽然通过传统强化手段，可以在一定程度上提高室温强度，但却会降低塑性，因此造成传统强化手段的使用比较受限。目前学术研究中发现，通过制备具有多层不同晶粒度搭配组合的混合非均质合金结构可以形成背应力强化，显著提高材料的强度和塑性，被认为是开发高性能高熵合金并拓展其应用的重要手段。但目前的制备方法通常通过诸如热处理，机械处理或者粉末冶金方法制备非均质高熵合金，存在合金内部结合强度低，形成非均质合金的尺度范围和内部结构受限等问题，可操作性较低。【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法。通过高速碰撞焊接技术配合冷变形处理制备非均质高熵合金，极大优化高性能非均质高熵合金的制备方法，提高其性能水平和应用范围。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0006] 一种可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，确定初始和终态调制周期、调制比、周期数以及非均质合金各层晶粒度；

[0008] 步骤2，确定符合上述晶粒度的母合金；

[0009] 步骤3，根据步骤1的初始调制周期和调制比，将母合金加工成对应厚度，并清洁母合金表面；

[0010] 步骤4，确定飞板和基板材料，计算焊接窗口并确定焊接参数，进行焊接得到单周期非均质高熵合金；

[0011] 步骤5，对单周期非均质高熵合金成型，根据步骤1中确定的周期数，逐次焊接复合成型后的单周期非均质高熵合金；

[0012] 步骤6，根据终态调制周期，对步骤5中复合后的单周期非均质高熵合金进行冷变形，得到成品。

[0013] 本发明进一步的改进在于：

[0014] 步骤2中的母合金，若时效强化且热处理温度相差小于50℃，选取固溶态合金；否则选取未经加工的退火态。

[0015] 若步骤2中选取固溶态合金，则步骤6中冷变形后还需进行用于恢复合金性能的时效处理。

[0016] 步骤4所述焊接使用爆炸焊接、电磁脉冲焊接或金属薄膜气化冲击焊接中的一种。

[0017] 步骤5中的成型，若单周期非均质高熵合金层数为2-3层，则焊接一次成型；若层数为4层及以上，则使用焊接逐层连接成型。

[0018] 步骤5中的成型，若层数为4层及以上，逐成分依次连接，原则为先复合同种材料，再复合异种材料。

[0019] 步骤6中的冷变形，使用轧制、拉拔或锻造中的一种。

[0020] 步骤6中的冷变形厚度压下量大于等于0％小于100％。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0022] 本发明通过高速碰撞焊接技术，包括爆炸焊接，电磁脉冲焊接或者金属薄膜气化冲击焊接技术，可以实现非均质高熵合金各层之间的高质量连接，且根据设计要求，非均质高熵合金的调制周期、调制比和周期数任意可选，可实现广合金组合、宽晶粒度范围大尺度合金的理想结合，操作性强，有力提高高熵合金的室温强度，可有力提高非均质高熵合金的种类及性能。【附图说明】

[0023] 图1为本发明实施例1单周期非均质高熵合金Fe40Mn40Co10Cr10示意图；

[0024] 图2为本发明实施例2的示意图；其中(a)为电磁脉冲焊接得到的单周期非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，(b)为金属薄膜气化冲击焊接得到的周期数为2的非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，(c)为经过33.3％冷轧并时效后得到的周期数为2的非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3；

[0025] 图3为本发明实施例3的示意图；其中(a)为金属薄膜气化冲击焊接得到的Fe40Mn40Co10Cr10组成的粗晶和细晶复合板，(b)为金属薄膜气化冲击焊接得到的Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的粗晶和细晶复合板，(c)为电磁脉冲焊接得到的由Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，(d)为爆炸焊接得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，(e)为冷轧91％以后得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金；

[0026] 图4为本发明实施例4的示意图；其中(a)为电磁脉冲焊接得到的Fe40Mn40Co10Cr10粗晶和细晶复合板，(b)为电磁脉冲焊接得到的Fe40Mn40Co10Cr10粗晶和细晶以及Fe20Co20Ni20Cr20Mn20粗晶复合板，(c)为电磁脉冲焊接得到的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，(d)为爆炸焊接得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，(e)为冷轧91％以后得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金。【具体实施方式】

[0027] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0028] 在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

[0029] 本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

[0030] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0031] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0032] 本发明可变调制周期和调制比非均质高熵合金制备方法，包括以下步骤：

[0033] 步骤1，根据非均质高熵合金设计要求确定初始和终态调制周期、调制比、周期数以及非均质材料各层晶粒度；

[0034] 步骤2，购置满足设计要求晶粒度的市售母合金高熵合金，若母合金均可以时效强化且热处理温度相近，则应使用固溶态，否则应使用未经加工的退火态；

[0035] 步骤3，根据初始调制周期和调制比，将母合金加工成相应的厚度，并清理母合金表面；

[0036] 步骤4，根据非均质高熵合金各组成材料的性质确定飞板和基板材料，计算焊接窗口并确定焊接参数，完成焊接布置，使用爆炸焊接，电磁脉冲焊接或者金属薄膜气化冲击焊接技术中的一种，进行焊接得到单周期非均质高熵合金；

[0037] 步骤5，若单周期内合金层数为2-3层，则使用步骤4工艺一次成型；若单周期内合金层数为4层及以上，则使用步骤4工艺逐层连接成型，或者按照先复合同种材料、再复合异种材料的原则逐成分连接；

[0038] 步骤6，根据周期数要求，使用步骤工艺逐次复合步骤5制备的单周期非均质高熵合金；

[0039] 步骤7，根据终态调制周期，使用轧制、拉拔或者锻造中的一种，对非均质高熵合金进行冷变形，0％≤冷变形厚度压下量＜100％；

[0040] 步骤8，若步骤2中使用的为固溶态合金，则应对制备得到的非均质高熵合金进行时效以恢复合金性能。

[0041] 本发明的制备原理为：高速碰撞焊接技术可以实现广泛的同种及异种合金间的高质量连接，且复合的尺寸不受限制，从而可以实现任意调制周期，调制比和周期数非均质高熵合金的制备，且性能高，不受合金间性质差异的影响，极大扩展了非均质高熵合金的种类，可大大提高高熵合金的性能。

[0042] 实施例1

[0043] 确定非均质高熵合金Fe40Mn40Co10Cr10初始和终态调制周期分别为1500μm和1500μm，粗晶对细晶调制比为2:1，周期数为1，使用两种晶粒度50μm和1μm；购置两种晶粒度的母合金，该合金不可时效强化，故应使用未变形退火态；根据初始调制周期和调制比，分别加工出厚度1000μm和500μm的粗晶和细晶板，清理母合金表面；以粗晶板材为基板，以细晶板材为飞板，根据材料的性质确定焊接参数，使用爆炸焊接技术复合粗晶板和细晶板，制备得到周期数为1的非均质高熵合金Fe40Mn40Co10Cr10。

[0044] 如图1所示，由于本实施例中非均质高熵合金由同种Fe40Mn40Co10Cr10组成，且周期数为1，因此仅需一次焊接过程即可制备得到双层单周期非均质高熵合金Fe40Mn40Co10Cr10。

[0045] 实施例2

[0046] 确定非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3初始和终态调制周期分别为1500μm和1000μm，粗晶对细晶调制比为2:1，周期数为2，使用两种晶粒度50μm和1μm；购置两种晶粒度的母合金，该合金可时效强化，故应使用固溶态；根据初始调制周期和调制比，分别加工出厚度1000μm和500μm的粗晶和细晶板各两块，清理母合金表面；以粗晶板材为基板，以细晶板材为飞板，根据材料的性质确定焊接参数，使用电磁脉冲焊接技术复合粗晶板和细晶板，制备得到两块单周期非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，如图2(a)所示；对前述得到的两块单周期非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，根据材料的性质确定焊接参数，清理合金表面，使用金属薄膜气化冲击焊接技术复合两块单周期非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，如图2(b)所示；根据终态调制周期的要求，对复合得到的周期数为2的非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3进行冷轧，厚度压下量1000μm(约33.3％)，如图2(c)所示；在400℃下对冷轧态非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3进行时效，时效时间3h；

[0047] 如图2所示，图2(a)为使用电磁脉冲焊接技术制备得到的单周期非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3示意图，图2(b)为使用金属薄膜气化冲击焊接技术制备得到的周期数为2的非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3示意图，图2(c)为经过33.3％冷轧并时效后得到的周期数为2的非均质高熵合金(Fe40Mn40Co10Cr10)97.8C3.3，且调制周期和调制比满足设计要求。

[0048] 实施例3

[0049] 确定非均质高熵合金由Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成，初始和终态调制周期分别为1000μm和90μm，Fe40Mn40Co10Cr10对Fe20Co20Ni20Cr20Mn20调制比为4:1，粗晶对细晶调制比为1:1，周期数为2，使用两种晶粒度50μm和1μm；购置两种晶粒度的母合金，由于两种合金不可时效强化，故均应使用未加工退火态；根据初始调制周期和调制比，分别加工出厚度400μm的粗晶和细晶Fe40Mn40Co10Cr10以及厚度100μm的粗晶和细晶Fe20Co20Ni20Cr20Mn20板各两块，清理母合金表面；以粗晶板材为基板，以细晶板材为飞板，根据材料的性质确定焊接参数，使用金属薄膜气化冲击焊接技术分别复合Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20粗晶板和细晶板，如图3(a)和(b)，再使用电磁脉冲焊接技术复合两种高熵合金粗细晶复合板，从而制备出两块单周期非均质高熵合金，如图3(c)所示；对上述得到的两块Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，根据材料的性质确定焊接参数，清理合金表面，使用爆炸焊接技术复合得到周期数为2的非均质高熵合金，如图3(d)所示；根据终态调制周期的要求，复合得到的周期数为2的非均质高熵合金进行冷轧，厚度压下量910μm(91％)，如图3(e)所示；如图3(e)所示，最终得到周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，满足设计要求。

[0050] 如图3所示，图3(a)和(b)分别为使用金属薄膜气化冲击焊接技术制备得到的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的粗晶和细晶复合板，图3(c)为使用使用电磁脉冲焊接技术制备得到的由Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，图3(d)为使用爆炸焊接技术制备得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，图3(e)为冷轧91％以后得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，且调制周期和调制比满足设计要求。

[0051] 实施例4

[0052] 确定非均质高熵合金由Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成，初始和终态调制周期分别为1000μm和90μm，Fe40Mn40Co10Cr10对Fe20Co20Ni20Cr20Mn20调制比为4:1，粗晶对细晶调制比为1:1，周期数为2，使用两种晶粒度50μm和1μm；购置两种晶粒度的母合金，由于两种合金不可时效强化，故均应使用未加工退火态；根据初始调制周期和调制比，分别加工出厚度400μm的粗晶和细晶Fe40Mn40Co10Cr10以及厚度100μm的粗晶和细晶Fe20Co20Ni20Cr20Mn20板各两块，清理母合金表面；以Fe40Mn40Co10Cr10粗晶板材为基板，按照Fe40Mn40Co10Cr10细晶板，Fe20Co20Ni20Cr20Mn20粗晶板和细晶板的顺序，使用电磁脉冲焊接技术分别进行焊接，制备得到两块Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，如图4(a)-(c)；对得到的两块Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，根据材料的性质确定焊接参数，清理合金表面，使用爆炸焊接技术复合得到周期数为2的非均质高熵合金，如图4(d)；根据终态调制周期的要求，对复合得到的周期数为2的非均质高熵合金进行冷轧，厚度压下量910μm(91％)，如图4(e)；如图4(e)所示，最终得到周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，满足设计要求。

[0053] 如图4所示，图4(a)、(b)和(c)分别为使用电磁脉冲焊接技术制备得到的Fe40Mn40Co10Cr10粗晶和细晶复合板，Fe40Mn40Co10Cr10粗晶和细晶以及Fe20Co20Ni20Cr20Mn20粗晶复合板，Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的单周期非均质高熵合金，图4(d)为使用爆炸焊接技术制备得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，图4(e)为冷轧91％以后得到的周期数为2的Fe40Mn40Co10Cr10和Fe20Co20Ni20Cr20Mn20组成的非均质高熵合金，且调制周期和调制比满足设计要求。

[0054] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。