一种CoCuTiV系高熵合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010578815.3
文献号 : CN111809097B
文献日 : 2021-12-21
发明人 : 乙姣姣 , 王璐 , 杨林 , 徐明沁
申请人 : 江苏理工学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种CoCuTiV系高熵合金,其特征在于,所述CoCuTiV系高熵合金为CoCrCuTiV高熵合金,所述CoCrCuTiV高熵合金由如下原子百分比的金属单质组成:Co 20%~21%、Cr 17%~19%、Cu 18%~20%、Ti 20%~23%、V 21%~22%;
或者,所述CoCuTiV系高熵合金为CoCuFeTiV高熵合金,所述CoCuFeTiV高熵合金由如下原子百分比的金属单质组成:Co 20%~21%、Cu 15%~17%、Fe 19%~20%、Ti 22%~
23%、V 21%~22%;
所述的CoCuTiV系高熵合金的制备方法,包括如下步骤:(1)去除金属单质Co、Cu、Ti、V、Fe或Cr的表面杂质和氧化物,清洗烘干后备用;
(2)在非自耗真空电弧熔炼炉中于氩气保护下先熔化金属钛块,再按照配比放入所述金属单质,抽真空,在氩气保护下进行电弧熔炼,所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌,冷却后,得到第一纽扣样品;
(3)对所述第一纽扣样品进行重复多次所述电弧熔炼,在重复进行每次所述电弧熔炼前对所述第一纽扣样品进行翻转,冷却后得到第二纽扣样品,去除所述第二纽扣样品的表面氧化层,再重复步骤(2),冷却后进行退火热处理,最后得到CoCrCuTiV高熵合金或CoCuFeTiV高熵合金;
在所述退火热处理前需采用钽箔包裹所述CoCuTiV系高熵合金以降低氧化,然后在抽‑3
真空达到2×10 Pa后反充氩气至5Pa于温度为1200℃~1450℃下进行处理20h~24h。
2.根据权利要求1所述的一种CoCuTiV系高熵合金,其特征在于,所述金属单质的纯度大于99.9wt%。
3.根据权利要求1所述的一种CoCuTiV系高熵合金,其特征在于,步骤(1)中去除所述杂质和氧化物采用砂轮机或砂纸打磨;所述清洗的过程采用丙酮为清洗溶剂在超声波中进行2
振荡清洗5min,所述超声波的功率密度为0.8W/cm、频率为33Hz;步骤(2)中所述抽真空达‑3
到2×10 Pa后即可反充氩气至5Pa;所述电弧熔炼的电流为50A~100A、时间为30s~1min。
4.根据权利要求1所述的一种CoCuTiV系高熵合金,其特征在于,步骤(3)中重复多次所述电弧熔炼的过程中需保持熔融状态2min~3min;所述多次为4次。
说明书 :
一种CoCuTiV系高熵合金及其制备方法
技术领域
背景技术
金可以看作是原子尺度的复合材料,多种元素的本身特性和元素之间相互作用使高熵合金
呈现Cu一种复杂的效应。根据热力学知识可知,超喜欢能合金的自由能为ΔGmix=ΔHmix‑
TΔSmix,当合金的混合焓高到一定程度,足以抵消混合焓的作用时,高熵的状态是自由能
为负、相对稳定的状态。合金体系的混乱度高就表示体系的混合熵高,合金的有序度就差,
去徐昂与生成具有简单结构的相,而且生成的相的数目也远远小于经典吉布斯相规律所预
测的合金体系的平衡相数目。高熵合金由于多主元金属元素的原子尺寸差异会导致晶格的
各个阵点位置产生不同程度的偏移,进而产生晶格畸变。
金;如张勇等加入Al形成以AlCoCrFeNi为代表的体心立方(BCC)固溶体结构的高熵合金;还
有如四元的CuNiAlCo、五元的CuNiAlCoCr等均是FCC+BCC双相固溶体结构;还有如密排六方
(HCP)结构Al20Li20Mg10Sc20Ti30高熵合金。
法可以一直第二相的产生,产生单相结构,而普通冷却方法则有可能获得多相结构。
外高熵合金的强度和韧性的矛盾一直存在,如何对高熵合金进行调整以解决其强度和韧性
的问题是该领域急需解决的技术问题之一。
发明内容
的硬度。
空,在氩气保护下进行电弧熔炼,所述电弧熔炼的过程中伴随电磁搅拌,冷却后,得到第一
纽扣样品;熔炼过程中如果氩气保护气氛中氧含量过高,合金产生氧化皮,在熔炼过程中会
破碎进入合金内,在合金中引入氧化物夹杂,或者引起难混熔情况;
的表面氧化层,再重复步骤(2),冷却后进行退火热处理,最后得到CoCrCuTiV高熵合金或
CoCuFeTiV高熵合金。
2 ‑3
cm、频率为33Hz;步骤(2)中所述抽真空达到2×10 Pa后即可反充氩气至5Pa;所述电弧熔
炼的电流为50A~100A、时间为30s~1min。
氧化,然后在抽真空达到2×10 Pa后反充氩气至5Pa于温度为1200℃~1450℃下进行处理
20h~24h。
铸态下强韧性综合较好,退火热处理后两者强度硬度有所下降,但CoCuFeTiV韧性提高。
附图说明
具体实施方式
对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使
用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释
为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
物,各金属单质的纯度均高于99.9wt%,然后使用丙酮为清洗溶剂、功率密度为0.8W/cm 及
频率为33Hz的超声波进行振荡清洗5min,烘干后备用;
‑3
放入所述金属单质于另一个水冷铜坩埚中,抽真空达到2×10 Pa后反充氩气至5Pa,在氩气
保护下,于电流为60A下进行电弧熔炼1min,冷却后,得到第一纽扣样品;在电弧熔炼的过程
中,金属钛在熔化过程中可以先吸收保护气体中残存的氧气,从而可以降低高熵合金熔炼
时的氧化行为,熔炼过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性;
15mm,并且表面发亮的第二纽扣样品;用角磨机进一步磨掉去除所述第二纽扣样品的表面
氧化层,然后用金刚石锯将去氧化层的第二纽扣样品切割成每块重约10克的样品,放入电
弧炉中重复步骤(2)然后将液态合金吸入直径为4mm、长为60mm圆柱形铜模中,冷却后进行
退火热处理,退火热处理前用0.1mm厚的钽箔包裹铜模以降低合金的氧化,抽真空达到2×
‑3
10 Pa后反充氩气至5Pa于温度1300℃下进行退火热处理23h,最后得到Co20Cr19Cu20Ti20V21
高熵合金。
纯度均高于99.9wt%,然后使用丙酮为清洗溶剂、功率密度为0.8W/cm 及频率为33Hz的超
声波进行振荡清洗5min,烘干后备用;
‑3
放入所述金属单质于另一个水冷铜坩埚中,抽真空达到2×10 Pa后反充氩气至5Pa,在氩气
保护下,于电流为80A下进行电弧熔炼50s,冷却后,得到第一纽扣样品;在电弧熔炼的过程
中,金属钛在熔化过程中可以先吸收保护气体中残存的氧气,从而可以降低高熵合金熔炼
时的氧化行为,熔炼过程中伴随电磁搅拌以增加合金混合的均匀性;
15mm,并且表面发亮的第二纽扣样品;用角磨机进一步磨掉去除所述第二纽扣样品的表面
氧化层,然后用金刚石锯将去氧化层的第二纽扣样品切割成每块重约10克的样品,放入电
弧炉中重复步骤(2)然后将液态合金吸入直径为4mm、长为60mm圆柱形铜模中,冷却后进行
退火热处理,退火热处理前用0.1mm厚的钽箔包裹铜模以降低合金的氧化,抽真空达到2×
‑3
10 Pa后反充氩气至5Pa于温度1400℃下进行退火热处理21h,最后得到Co21Cr17Cu18Ti22V22
高熵合金。
范围为20°~120°。本实施例的Co21Cr17Cu18Ti22V22高熵合金的XRD图如图1所示,由图1可知,
本实施例的Co21Cr17Cu18Ti22V22合金的相结构为主相BCC+FCC相的两相结构,经退火处理后,
相结构保持稳定,没有发生变化。
范围为20°~120°。本实施例的Co21Cu15Fe20Ti22V22高熵合金的XRD图如图2所示,由图2可知,
本发明Co21Cu15Fe20Ti22V22合金的相结构为有序结构的BCC(B2)主相+FCC相的两相结构;经
退火热处理后,相结构保持稳定,没有发生变化。
个点,最后将数据取平均值。
MA)机械试验机(配有碳化硅模具)在室温下进行压缩试验。为了减少摩擦,在压缩面和碳化
‑3
硅模具之间使用了薄的聚四氟乙烯箔;对样品施加5.6×10 mm/s的恒定压缩速度,对应于
‑3 ‑1
10 s 的初始应变率。
达2175MPa,断裂伸长率达25.2%;退火热处理后其压缩屈服强度有所下降,断裂伸长率下
降到16.6%,但仍然具有良好的强韧性,相结构保持稳定。
2075MPa,为脆性断裂;退火热处理后其压缩屈服强度有所下降,但断裂伸长率达到12.2%,
具有良好的强韧性,相结构保持稳定。Co21Cu15Fe20Ti22V22高熵合金中B2为主相,BCC相中的
滑移系统数量远小于FCC相,同时FCC结构的富Cu相固溶了其它合金元素,形成固溶强化,这
两方面原因导致铸态高熵合金的屈服强度和硬度升高,但塑性铰差;随着退火热处理后高
熵合金的相结构没有发生变化,保持了结构稳定性,但退火热处理使得固溶在FCC富Cu相中
的元素析出,固溶强化效果减弱,高熵合金屈服强度下降,塑性上升,同时退火热处理可以
减小快速凝固过程中产生的热应力,减少合金中的微孔数量,从而进一步改善了
Co21Cu15Fe20Ti22V22高熵合金的塑性。
发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。