一种低成本高强度轻质高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本高强度轻质高熵合金及其制备方法，其原子比表达式为：Al

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高强度轻质高熵合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于轻质高熵合金材料领域，特别是涉及一种低成本高强度轻质高熵合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]面对日益严峻的能源和环境问题，轻质结构材料的研究尤为重要。迄今为止，轻质材料已得到广泛发展与应用，例如镁合金、铝合金和钛合金等轻质合金材料已经部分取代钢铁材料，广泛应用于汽车和航空航天等领域。但现有轻质合金材料高的制造成本以及有限的性能限制了其在实际工程中更广泛的应用。
[0003]相比传统轻质合金，轻质高熵合金具有高硬度和强度、良好的耐高温和耐腐蚀性能等优异特性。其中，AlCoCrFeNi
2.1
高熵合金是一种典型的共晶高熵合金，由FCC软相和BCC硬质相组成，在室温下展现出优良的强韧性，抗拉强度可达1GPa。然而，FCC相强度较低，导致材料强度相对其他高熵合金较低。研究者利用沉淀强化的手段来提高轻质高熵合金的力学性能，如在高熵合金的基础上添加一些Ti、Cu等元素，形成弥散分布的沉淀相，同时配合热加工工艺来改善沉淀相的分布和尺寸，进一步提高合金的强度。但上述工艺复杂，耗时耗力。同时，为获得设计的共晶组织，需要用高纯度原材料，且须在高真空环境下制备合金材料，以避免引入氧等元素破坏材料组织，从而造成生产制造条件苛刻、成本高。例如，文献1“Apromising new class of high
‑
temperature alloys:eutectic high
‑
entropy alloys”报道了AlCoCrFeNi
2.1
高熵合金需要用高纯原料(Al、Co、Ni：99.9wt.％，Cr：99.5wt.％，Fe：99.6wt.％)，且在高真空条件下(抽至6
×
10
‑2Pa，再充入纯度≥99.999％氩气)，所制备的材料室温强度为944MPa、延伸率为25.6％，经8％变形量的冷轧，材料的室温强度为1145MPa，延伸率为10％。该工艺不仅对原料和制备条件要求高，而且材料性能提升有限。因此，亟需开发新型低成本高强度轻质高熵合金材料和技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种低成本高强度轻质高熵合金及其制备工艺。该轻质高熵合金不仅抗拉强度高，而且伸长率大。该材料特别适用工业化生产制备，可用低纯度原料和在低真空条件下生产，且制备工艺简单、成本低，易于推广和普及。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种低成本高强度轻质高熵合金，其合金元素原子表达式为：Al
a
CoCrFeNi
b
O
c
，其中，0.7≤a≤1.5，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.05。
[0006]进一步的，该高强度轻质高熵合金材料的组织特征为：由初生FCC相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由FCC相与BCC相组成，O元素固溶于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相之中，纳米Al2O3相弥散分布于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相内及其相界面。
[0007]进一步的，所述轻质高熵合金材料具有优异的室温拉伸性能，其抗拉强度达到1600～2000MPa，伸长率达到5～10％。
[0008]一种制备上述低成本高强度轻质高熵合金材料的方法，包括以下步骤：
[0009]第一步：选取轻质高熵合金体系，根据平衡凝固相图，Al
a1
(CoCrFe)
b1
Ni
c1
五元合金，其中，以原子比计，在a1＝1，b1＝1，c1＝2.1时，达到共晶点，析出FCC和BCC共晶组织，FCC为软相、BCC为硬相，为进一步增强FCC相，引入O元素，O固溶于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相之中，实现固溶强化，同时O与铝反应生成纳米Al2O3颗粒，并弥散分布于FCC相及其相界面，实现第二相强化，利用Thermal
‑
Calc软件计算在近平衡凝固条件下获得共晶或近共晶组织的合金成分为Al
a
CoCrFeNi
b
O
c
(原子比)，其中，0.7≤a≤1.5，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.05；
[0010]第二步：按照第一步的成分配比称取Al、Co、Cr、Fe、Ni金属原料；
[0011]第三步：按照合金成分配比依次将Al、Cu、Ni、Cr、Fe原料放入水冷铜坩埚，盖上炉盖抽低真空至10Pa以下，向炉内充入0.04～0.06MPa的氩气，采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉制备合金锭；
[0012]第四步：熔炼3～4道次，得到混合均匀的高强度轻质高熵合金锭。
[0013]进一步的，第一步中，利用金属原料中的氧化物杂质、表面氧化皮及低真空熔炼气氛中含有的氧气杂质来引入O元素。
[0014]进一步的，第一步中，利用第一性原理计算合金中各元素与氧的反应吉布斯自由能，确定生成弥散纳米Al2O3颗粒的温度为700～2000℃。
[0015]进一步的，第二步中，金属原料纯度(重量百分比)为99％以上，其余为包含氧化物的杂质成分。
[0016]进一步的，第三步中，氩气的纯度(摩尔百分比)为99％以上，其余为包含氧气的杂质成分。
[0017]进一步的，第四步中，熔炼功率为20～30kW。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)显微组织初生FCC相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由FCC相与BCC相组成，材料兼具强塑性；(2)O元素固溶于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相，纳米Al2O3相弥散分布于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相内及其相界面，利用固溶强化和第二相强化增强FCC相；(3)轻质高熵合金室温力学性显著提升；(4)对合金原料纯度和制备真空度要求低，将有害O元素转化为强化元素；(5)无需去除原料表面氧化物和抽至高真空度，制备工艺简便、高效、成本低，适于大规模工业化生产。
附图说明
[0019]图1是本专利技术低成本高强度轻质高熵合金材料的制备流程图。
[0020]图2是低成本高强度轻质高熵合金材料的显微组织示意图。
具体实施方式
[0021]为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0022]以下各实施例的制备步骤如图1的流程示意图所示。
[0023]本专利技术的构思和原理是：根据平衡凝固相图，Al
a1
(CoCrFe)
b1
Ni
c1
五元合金，其中，以原子百分比计，在a1＝1，b1＝1，c1＝2.1时，达到共晶点，析出FCC和BCC共晶组织，FCC为软
相、BCC为硬相。然而，FCC相强度较低，导致材料强度相对其他高熵合金较低。为进一步增强FCC相，提高合金强度，引入O元素(利用金属原料中的氧化物杂质、表面氧化皮及低真空熔炼气氛中含有的氧气杂质来引入O元素)，使O固溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本高强度轻质高熵合金，其特征在于，其合金元素原子表达式为：Al
a
CoCrFeNi
b
O
c
，其中，0.7≤a≤1.5，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.05。2.如权利要求1所述的高强度轻质高熵合金，其特征在于，该高强度轻质高熵合金的组织特征为：由初生FCC相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由FCC相与BCC相组成，O元素固溶于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相之中，纳米Al2O3相弥散分布于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相内及其相界面。3.如权利要求1所述的高强度轻质高熵合金，其特征在于，所述轻质高熵合金具有优异的室温拉伸性能，其抗拉强度达到1600～2000 MPa，伸长率达到5～10％。4.一种制备如权利要求1
‑
3任一所述的高强度轻质高熵合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：选取轻质高熵合金体系，根据平衡凝固相图，Al
a1
(CoCrFe)
b1
Ni
c1
五元合金，其中，以原子比计，在a1=1，b
1 =1，c1=2.1时，达到共晶点，析出FCC和BCC共晶组织，FCC为软相、BCC为硬相；为增强FCC相，引入O元素，O固溶于初生FCC相枝晶和共晶片层中的FCC相之中，实现固溶强化，同时O与铝反应生成纳米Al2O3颗粒，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏翔，刘宇航，王崇安，沈洪雷，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：