一种低密度低成本Fe-Mn-Al-C中熵合金的制备方法技术

本发明专利技术公开一种低密度低成本Fe‑Mn‑Al‑C中熵合金的制备方法，属于金属材料及制备领域。其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％。该合金的制备工艺为将冶金原料Fe、Mn、Al、C去氧化皮，采用超声波或酸洗方法进行清洗；用非自耗真空电弧炉或感应炉熔炼合金，通过真空吸铸或浇铸方法，获得中熵合金板状或棒状材料。该中熵合金具有低密度的同时，材料还具有高强度和高塑性，并且合金元素成本低，可用于交通、机械和能源等工业领域。

【技术实现步骤摘要】
一种低密度低成本Fe-Mn-Al-C中熵合金的制备方法
本专利技术涉及一种低密度低成本高性能中熵合金的制备方法，属于金属材料及其制备领域。
技术介绍
按照合金熔体的混合熵区分，合金可分类为高熵合金(ΔSmix>1.6R，R为气体常数，下同)、中熵合金(1.1R<ΔSmix<1.6R)、低熵合金(ΔSmix<1.1R)。钢铁、铝合金、钛合金等传统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。尽管高熵合金已经得到普遍关注，但是能够获得工程化应用的高熵合金的数量还较少，特别是能够实现高强度与塑性匹配的高熵合金更少。例如，FeCoCrNiMn系高熵合金虽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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决中熵合金面临的比强度与塑性的良好匹配问题，同时为了有利于合金的推广应用，大幅度降低合金的成本，提供一种低密度、高比强度、高塑性、低成本的中熵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，本专利技术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。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种低密度低成本Fe-Mn-Al-C中熵合金的制备方法，其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)将纯度方法未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。进一步地，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％。进一步地，所述的熔炼为真空非自耗电弧炉熔炼，真空度数值低于5×10-2MPa，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。进一步地，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℃进一步地，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；进一步地，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。本专利技术合金在成分设计时综合考虑了添加元素对合金的密度、成本、强度、塑性以及热加工性能的影响，具体考虑因素如下：Mn：在钢中是形成γ相的主要元素，Mn与Fe形成的γ相区随着Mn的提高而增大，在400℃下，Mn在γ相的固溶度可达到31.5at％。从降低密度的角度，合金中1wt％的Mn含量可使其密度下降0.0085g/cm3，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％。Al：在Fe-Al二元系相图中，在Fe一侧存在很宽的Al成分范围α-Fe固溶体区，而以面心立方(γ-Fe)为基的固溶体区是封闭的。因此Al是促进α-Fe形成元素。同时，当Al的含量超过一定限度后，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0.101g/cm3，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％。C：C是钢中最重要的强化元素，也是降低密度的元素。C是扩大奥氏体元素，但是C含量过高，将在晶界上形成连续、网状分布的碳化物，不利于合金力学性能的提高。C是扩大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/cm3，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％。本专利技术的有益效果如下：1)该合金可实现高强度和高塑性的匹配。高Mn和C含量的加入促进了奥氏体的形成，因此合金是以奥氏体相为基体组织，使合金具有优异的塑性。同时Al、Mn和C的加入还可起到强化作用。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。2)该合金具有低密度。特别适用于交通、机械和能源等工业领域。特别是对汽车、轮船和燃气轮机等需要消耗能源的设备和装置，该合金的使用将会使设备减重，从而进一步较低能源消耗。3)与现有的高熵合金和中熵合金相比，该合金由于仅含有成本较低的Fe、Mn、Al和C元素，因此合金的成本大大降低。附图说明图1是实施例5成分Fe36.4Mn36.3Al23.0C4.3合金热处理后的扫描电镜组织；图2是实施例5成分Fe36.4Mn36.3Al23.0C4.3合金铸态及热处理态的X射线衍射曲线；图3是实施例5成分Fe36.4Mn36.3Al23.0C4.3合金的室温力学性能曲线。具体实施方式表1所示为实施例的合金成分以及部分参考合金成分(原子百分比)。显然，以下所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动本文档来自技高网...

【技术保护点】
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％；/n制备方法包括以下步骤：/n1)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；/n2)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；/n3)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；/n4)将中熵合金板状或棒状样品进行均匀化和固溶处理。/n

【技术特征摘要】
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。


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％。

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【专利技术属性】
技术研发人员：惠希东，百瑞，刘旭莉，吉铮，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11