一种低密度低成本Fe-Mn-Al-C中熵合金的制备方法转让专利
申请号 : CN202010530555.2
文献号 : CN111676409B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 惠希东 , 百瑞 , 刘旭莉 , 吉铮
申请人 : 北京科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法,其特征在于合金化学成分按原子百分比为:Fe33.0~38.0%,Mn33.0~38.0%,Al21.0~25.0%,C4.0~7.0%;
制备方法包括以下步骤:
1)将纯度为99.9%以上的冶金原料Fe、Mn、Al、C,采用机械打磨或酸洗去除原料金属的表面氧化皮,供配置合金使用;
2)按摩尔比转化为质量比精确称量配比,Mn原料另增加5%质量以补偿熔炼损耗,然后用无水乙醇超声波震荡清洗原料;
3)将合金进行熔炼,把熔化的合金熔体吸铸或浇铸到模具中,获得中熵合金板状或棒状材料;
4)将中熵合金板状或棒状样品进行均匀化和固溶处理;
所述的固溶热处理工艺为:加热温度为1000~1150℃,保温0.5~4h,然后常温水淬。
2.如权利要求1所述低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法,其特征在于合金化学成分按原子百分比优选范围为:Fe35.0~37.0%,Mn34.5~36.5%,Al22.0~24.0%,C4.0~4.5%。
3.如权利要求1所述低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法,其特征在于所述‑2
的熔炼为真空非自耗电弧炉熔炼,真空度数值低于5×10 MPa,充入氩气至炉内气压达到
0.05MPa;熔炼电流为100~250A,电弧保持时间为1~3min,翻转重复熔炼至少4次以上,以使合金锭成分均匀。
4.如权利要求1所述低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法,其特征在于所述的熔炼为感应熔炼,感应加热频率为中频或高频,熔炼环境为大气,熔化温度为1450℃至
1550℃。
5.如权利要求1所述低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法,其特征在于所述的均匀化热处理工艺为:保温温度为1000~1200℃,保温时间1~4h。
说明书 :
一种低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法
技术领域
背景技术
金属材料基本为低熵合金。高熵合金具有多种主元,因其表现出优异性能,而得到广泛研
究,现已有多种高熵合金系列被开发。例如,FeCoCrNiMn系高熵合金在低温下具有很好的力
学性能,AlCoCrCuFeNi系高熵合金可以获得较高的强度和耐腐蚀性,NbMoTaW系高熵合金具
有优异的耐高温性能。
然具有优异的拉伸塑性,但是其拉伸强度普遍偏低。最近,中熵合金作为一种很有潜力的合
金,正受到越来越多的关注和研究。相比高熵合金,中熵合金主元数有所降低,但通过成分
及工艺的合适调控,可以获得优异的性能,而且更容易实现工业化应用。当前研究较多的是
CoCrNi系和FeCoNi系中熵合金,通过成分优化及工艺调节,在FCC固溶体基体上析出纳米晶
颗粒,改变纳米强化相的数量、形态及分布,实现强度与塑性的配合。但在目前的中熵合金
体系中,均含有Co和Ni等成本高的元素,合金成本高,不利于合金大规模推广和应用。另一
方面,对于工程结构材料而言,追求轻质高强是永恒的目标,高Co与Ni含量的添加也不利于
合金密度的降低。但是,目前不含Co和Ni元素的低密度Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金还没有见到报
道。
发明内容
本的中熵Fe‑Mn‑Al‑C合金及其制备方法。该方法通过对合金强塑化元素的适量添加,设计
低密度低成本的中熵合金成分。通过制定合理的热加工和固溶时效热处理工艺制度,在保
持较好的加工性能前提下,又保持了较高的强度和塑性。因此,本发明解决的关键技术是合
金元素的选择与用量,加工制备工艺的优化和固溶时效热处理工艺的选择。
复熔炼至少4次以上,以使合金锭成分均匀。
3
使其密度下降0.0085g/cm ,取得约0.1%的减重效果。所以,为了使合金具有良好的塑性和
低的密度,合金中的Mn应足够高。但是,如果合金中的Mn含量过高,在室温下组织中容易形
成α‑Mn,在高温下易形成β‑Mn相。综合考虑合金的力学性能和密度,Mn含量为Mn33.0~
38.0%。
量超过一定限度后,还形成了Fe3Al和FeAl相。从Al‑Mn二元系相图看,Al在β‑Mn相中有很大
的固溶度,或者说,Al可以促进β‑Mn的形成。综合考虑Al与Fe、Mn的交互作用,Al的含量不易
过高。但是,Al又是降低密度非常有效的元素,每添加1wt%%的Al,合金的密度下降
3
0.101g/cm,可减重约1.3%。因此,兼顾力学性能和密度,Al的含量为Al21.0~25.0%。
3
α‑Mn相元素,使β‑Mn相区封闭,同时,每添加1wt%%的C,合金的密度下降0.41g/cm ,可减
重约5.2%。因此,综合考虑力学性能和密度,C含量为C4.0~7.0%。
起到强化作用。通过合理的热处理工艺,可进一步析出第二相,使合金进一步强化。
步较低能源消耗。
附图说明
具体实施方式
本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本
发明保护的范围。
量配比,Mn原料另增加5%质量以补偿熔炼损耗,用无水乙醇超声波震荡清洗原料;(3)使用
‑3
真空非自耗电弧炉熔炼合金,真空度数值低于5×10 MPa,充入高纯氩气至炉内气压达到
0.05MPa;(4)熔炼电流为100~250A,电弧保持时间为1~3min,翻转重复熔炼至少4次以上,
以使合金锭成分均匀;(5)将母合金锭使用真空吸铸设备,吸铸到水冷铜模中,获得10mm厚
的板状样品。
1 35.7 34.5 24.5 5.3 1.24R
2 35.7 35.0 24.5 4.8 1.23R
3 35.7 35.5 24.5 4.3 1.22R
4 36.2 36.0 23.5 4.3 1.21R
5 36.4 36.3 23.0 4.3 1.21R
6 36.7 36.5 22.5 4.3 1.21R
7 36.6 36.4 22.5 4.5 1.21R
8 36.4 36.3 22.5 4.8 1.22R
实测密度值。实施例合金以及部分参考合金的实测密度值列在表2中。
酒精溶液腐蚀,采用SUPRA55热场发射扫描电子显微镜对组织进行观察分析。如图1所示的
是合金5的SEM组织,经1050℃保温0.5h热处理,该组织为奥氏体基体加少量铁素体的双相
组织。如图2所示的是合金5在铸态及热处理态的XRD曲线,热处理为1100℃保温0.5h,从铸
态到热处理态,双相组织基本上转变为完全奥氏体组织。
机上进行室温拉伸测试,拉伸速率统一为0.5×10 s ,至少选取3个样品进行测试,得到工
程应力应变曲线。作为实施例,图3为合金5的工程应力应变曲线,该合金的抗拉强度为
720.5MPa,屈服强度为548.8MPa,延伸率为44.7%,结合密度值6.28g/cm,计算得出其比强
度可达到0.115。根据密度测量和工程应力应变曲线,得到合金1~10的密度、屈服强度、抗
拉强度和比强度,实验结果列在表2所示。