一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法，所选的合金体系为五元Fe

【技术实现步骤摘要】
一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法


本专利技术属于复相合金与梯度纳米复合材料
，涉及一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法。

技术介绍

随着科学探索的发展与技术需求的提高，新型材料的设计与研发面临着诸多机遇和挑战。近年来，作为结构与功能材料，多元复相合金因其具有优异性能而在众多合金材料中脱颖而出。它们继承了多元合金的优点以及复相相耦合相协调的优势，为材料的性能调控指明了新的方向。因其低廉的价格和优异的性能，铁基多元复相合金的成分设计与性能优化等方面的研究工作一直活跃于研究课题中。多元复相合金的成分设计与凝固条件影响着合金的相组成与组织形貌，进而对材料的力学性能产生决定作用。在凝固过程中，热力学和动力学上的缓慢扩散效应使得多元合金的铸态组织由固溶体相、金属间化合物相、非晶相或由这些相混合组成。基于广义的热力学规则，人们发现熵优势有利于形成固溶体，而焓优势有利于形成金属间化合物，这为材料设计中不同类型相形成与相稳定性提供了指导。梯度材料作为一种新型复合材料，其内部的组织结构与力学性能都呈现出梯度分布。其独特的性质与性能使得梯度材料满足于不同的服役工况与功能，广泛应用于能源电子和工程结构等材料领域中。目前专利号为201510952576.2(一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法)以及专利号2016102792432(一种功能梯度耐磨铁基复合材料及其制备方法),他们或通过三种不同成分的铁基合金粉末熔覆获得梯度硬度层，或通过合金熔体与增强体的熔渗烧结制备，过程复杂，时间较久且成本较高。因此，控制合金熔体凝固时的冷却速率与温度梯度成为原位形成梯度材料的新技术。在复相合金的快速凝固过程中，由于需要多个组元的协同扩散，因此晶体形核长大较难，这就导致了多元合金在凝固后容易形成纳米晶、非晶复材与完全非晶结构。Al
0.6
CoNiFeTi
0.4
合金经火花等离子烧结后，形成了精细BCC相与纳米孪晶FCC相共存的凝固组织，该纳米晶结构使得合金展现出3172MPa的压缩强度以及712H
v
的维氏硬度。在非晶复材的制备研究中，专利号2019105260455(一种高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用)公开了一种由铁基非晶与石墨烯复合的非晶复合涂层。该方法先由雾化法制备并筛选非晶粉末，然后，采用超音速火焰由异路送粉喷涂制备非晶复合涂层。该涂层材料强韧性好，耐蚀性优，但其结合强度相比原位形成的非晶复材弱。Fe
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Co
‑
Ni
‑
Cr
‑
Zr合金由于非晶形成临界尺寸小，该体系非晶复材与非晶合金的制备目前仅由单辊旋淬法实现。非晶与非晶复材仅呈现出二维薄带，这极大地限制了材料的应用范围和服役条件。因此，具有较高强度、硬度和耐磨性等优异力学性能的三维块体原位非晶复材与非晶材料亟需被开发。静电悬浮技术可以使合金熔体在无容器状态稳定悬浮并实现深过冷。静电悬浮与熔体淬火技术的结合，通过热力学过冷与动力学急冷的主动调控，不但可以保留熔体淬火前再辉形成的初生相结构，还可以实现剩余熔体的急冷凝固。基于
淬火前熔体的不同液态结构和状态，为研制新型梯度纳米复相合金、非晶复合等材料的制备开辟了新的道路。

技术实现思路

要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法，解决现有技术中存在的不足，以及谋求梯度材料和复合材料制备的新方法。所制备的梯度纳米材料、非晶复合材料以及非晶材料具有硬度高、弹性好、韧性强和良好的耐腐蚀性能。技术方案一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金，其特征在于合金铸态为双相共晶或者近共晶组织，合金原子比为：18～25％的Fe、18～25％的Co、18～25％的Ni、18～25％的Cr和8～15％的Zr。所述合金原子比为：35～42％的Fe、18～25％的Co、10～15％的Ni、15～20％的Cr和8～13％的Zr。一种权利要求1或2所述基于静电悬浮的液态淬火的复相合金的制备方法，其特征在于采用静电悬浮以及静电悬浮耦合不同液态结构的熔体淬火，制备步骤如下：步骤1、配料：按照合金原子比为：18～25％的Fe、18～25％的Co、18～25％的Ni、18～25％的Cr和8～15％的Zr配料；步骤2、熔炼：将原料放入真空电弧炉中，在惰性保护气氛中熔炼得到母合金，控制电流为80～130A，熔炼时间为10～30s，得到相对均匀的合金成分；步骤3、复熔：将母合金钳碎，在惰性气体保护下用激光或电弧复熔成直径2～5mm的微球；步骤4、抽真空：将微球置于静电悬浮仪器腔体，并抽真空至5.0
×
10
‑3～1.0
×
10
‑5Pa；步骤5、加热、悬浮：采用激光进行预热微球，使得微球带电稳定悬浮后，继续加热至液相线温度以上20～350K，使得悬浮熔体处于过热状态；步骤6、制备Laves相强化的复材或制备梯度复合材料及非晶材料：制备Laves相强化的复材：在步骤1～5的基础上，在悬浮熔体在过热状态下关闭激光，熔体自由冷却并过冷，通过激光功率控制合金熔体的过热度，获得不同过冷度条件下凝固的合金微球，即为制得的Laves相强化的复材，其共晶成分合金的悬浮过冷凝固后，其凝固组织由初生强化Laves相与FCC+Laves两相共晶组成；制备梯度复合材料及非晶材料：在步骤1～5的基础上，熔体在上电极、侧电极和下电极的控制下稳定悬浮，通过转盘将装有液态金属的铜坩埚旋转至下电极的环形区域中央；悬浮熔体在过冷态淬火后形成具有纳米共晶的梯度复合材料；在再辉过程中，淬火后形成初生Laves相+一次共晶+二次超细淬火共晶的复合组织；在液相线淬火后形成外层非晶+内层纳米共晶的梯度复合材料；
以及熔体在过热态淬火后形成了完全的非晶结构；关闭激光与电压后，不同液态结构的熔体在液态金属中淬火并凝固，即获得的梯度复合材料或非晶材料。所述步骤1的合金原子比为：35～42％的Fe、18～25％的Co、10～15％的Ni、15～20％的Cr和8～13％的Zr。所述微球为球形或者近球形。所述步骤6中，装有液态金属的铜坩埚由转盘旋转至环形区域中央，并与环形电极基本平齐。所述温度采用红外高温测温计实时监测悬浮样品温度。所述静电悬浮设备的下电极由可分离的环形区域和放样区域组成。所述步骤6中，初生Laves相的纳米压痕硬度为12.50～12.60GPa。所述步骤6中，静电悬浮耦合液淬获得纳米共晶的硬度为9.92～10.32GPa；液相线淬火获得非晶合金的硬度为12.28～12.42GPa；过热态淬火获得非晶合金的硬度为11.45～12.11Gpa，相比近平衡凝固组织中粗大共晶6.69～6.85GPa的硬度，梯度纳米共晶复合材料与非晶材料不但显著提高了合金的硬度且改善了韧性。有益效果本专利技术提出的一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金及制备方法，所选的合金体系为五元Fe
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Co
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Ni
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Zr合金，其中，合金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静电悬浮的液态淬火的复相合金，其特征在于合金铸态为双相共晶或者近共晶组织，合金原子比为：18～25％的Fe、18～25％的Co、18～25％的Ni、18～25％的Cr和8～15％的Zr。2.根据权利要求1所述基于静电悬浮的液态淬火的复相合金，其特征在于：所述合金原子比为：35～42％的Fe、18～25％的Co、10～15％的Ni、15～20％的Cr和8～13％的Zr。3.一种权利要求1或2所述基于静电悬浮的液态淬火的复相合金的制备方法，其特征在于采用静电悬浮以及静电悬浮耦合不同液态结构的熔体淬火，制备步骤如下：步骤1、配料：按照合金原子比为：18～25％的Fe、18～25％的Co、18～25％的Ni、18～25％的Cr和8～15％的Zr配料；步骤2、熔炼：将原料放入真空电弧炉中，在惰性保护气氛中熔炼得到母合金，控制电流为80～130A，熔炼时间为10～30s，得到相对均匀的合金成分；步骤3、复熔：将母合金钳碎，在惰性气体保护下用激光或电弧复熔成直径2～5mm的微球；步骤4、抽真空：将微球置于静电悬浮仪器腔体，并抽真空至5.0
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‑5Pa；步骤5、加热、悬浮：采用激光进行预热微球，使得微球带电稳定悬浮后，继续加热至液相线温度以上20～350K，使得悬浮熔体处于过热状态；步骤6、制备Laves相强化的复材或制备梯度复合材料及非晶材料：制备Laves相强化的复材：在步骤1～5的基础上，在悬浮熔体在过热状态下关闭激光，熔体自由冷却并过冷，通过激光功率控制合金熔体的过热度，获得不同过冷度条件下凝固的合金微球，即为制得的Laves相强化的复材，其共晶成分合金的悬浮过冷凝固后，其凝固组织由初生强化Laves相与FCC+Laves两...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海鹏，张彭超，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：