CN105543749B - 高熵合金梯度应力改性技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种专门针对高熵合金材料特征的损伤控制与精细组织调控的梯度应力塑性改性方法。本发明的目的是要解决高熵合金铸态组织以粗大枝晶为主，其综合力学性能较差的问题。制备方法主要包括：准备高熵合金铸锭，均匀化热处理，仿真模拟，包套锻造，得到高熵合金的锭坯。本发明对高熵合金铸锭进行处理的时候主要是采用预设的变截面包套，有效控制过程中高熵合金材料内部的应力状态，形成结合变形特征的梯度三向压缩应力。本发明最终能有效抑制晶格畸变诱发的微裂纹的萌生与扩展，细化晶粒，提高综合力学性能，实现高熵合金的有效改性。

Description

高熵合金梯度应力改性技术
技术领域
本发明涉及一种专门针对高熵合金材料特征的损伤控制与精细组织调控的塑性改性方法。
背景技术
随着现代工业的发展，人们在使用温度、强度、硬度以及耐磨性等方面对材料提出了越来越高的要求，尽管人们不断尝试开发新的加工技术，设计新的材料成分，来弥补材料使用性能的不足，可是这种传统合金设计本身存在的缺陷性已经严重制约了工业的发展。正是在这种背景下，人们打破了传统的合金设计理念，采用多主元合金的概念设计出新型的合金体系，高熵合金。
高熵合金不同于传统合金基于一种或两种元素作为主要元素，通过添加少量其它元素以改善合金组织性能的传统材料设计理念，在高熵合金中每种主元均具有较高，但又不超过35％的摩尔分数，形成多元素集体效应，表现出优异的综合力学性能，其中AlCoCrFeNiTi0.5的准静态屈服强度可达2.26GPa，断裂强度3.0GPa，压缩塑性23％，远高于现役常规材料。
但高熵合金铸态组织以粗大的枝晶为主，严重影响其综合力学性能的发挥，尤其在动态冲击条件下，极易诱发断裂，存在巨大的工程隐患。
塑性加工可以有效破碎粗大枝晶，细化晶粒，改善材料的微观组织与力学性能。但高强度高熵合金为提高其力学性能往往需要加入较多的大原子半径元素，致使晶体产生畸变严重，塑性加工过程中易发生开裂。
鉴于此，本发明提出一种具有针对性的梯度应力塑性改性技术，根据高熵合金材料组成及锭坯几何结构的特点，设计加工与锭坯相适应的截面几何尺寸按一定规律变化的锭坯包套，通过对高熵合金锭坯施加变截面包套，有效控制塑性加工过程中锭坯内部应力分布，形成针对变形过程特征的梯度三向压缩应力，有效抑制高熵合金变形过程中微裂纹的萌生与扩展，完成对高熵合金微观组织的精细化有效控制，实现高效塑性改性，有效提高高熵合金的服役能力。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种针对高熵合金服役要求的梯度应力塑性改性方法。针对高熵合金的热加工特点，采用预设的变截面包套，有效控制变形过程中高熵合金材料内部的应力状态，形成结合变形特征的梯度三向压缩应力，有效抑制晶格畸变诱发的微裂纹的萌生与扩展，细化晶粒，提高综合力学性，实现高熵合金的有效改性。
本方法及后处理工艺易于操作，成本低廉，能够获得组织性能均匀优良的高熵合金锭坯材料，有效提高其服役能力，采用该方法不仅能促进高熵合金的大批量使用，而且还可以有效改善以及控制高熵合金的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明高熵合金梯度应力改性方法采用以下技术方案来实现的。
第一步：高熵合金原始毛坯的制作。按照锭坯尺寸下料高熵合金棒料，然后将根据高熵合金的组织成份的不同，加热到1000℃-1100℃的起始温度，然后按照棒料厚度0.8-1min/mm进行保温处理，保温12-100h，随炉冷却，使其内部组织均匀。
第二步：变截面包套的分析设计。结合所选用高熵合金的成份以及变形特点，通过计算与模拟仿真，获得变形过程中锭坯不同部位的应力特征与规律，尤其是三向压缩应力的分布规律与损伤分布。
在此基础上，结合材料应力与损伤特征，选择包套材料并设计变截面包套结构，分析高熵合金在变截面包套条件下的变形以及三向压缩应力与损伤分布变化，优化变截面包套结构。
第三步：变截面包套加工。根据设计方案，通过车床或加工中心，加工变截面包套，为保证包套与高熵合金锭坯的有效结合，需要保证包套具有良好的加工精度，同时为控制制造成本，材料以常规碳钢和不锈钢为主。包套高径比介于1:1至1.5:1之间。
第四步：高温梯度应力改性。将均匀化后的高熵合金铸锭在室温下套入相应的具有不同截面形状的包套，此后置入加热炉升温、保温。当达道变形温度后，将附加包套的高熵合金取出进行高温塑性改性。变形温度根据材料不同约为1000℃-1100℃，优选1100℃，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1。先镦粗后拔长，镦粗变形量不宜过大，拔长后需回炉加热，同时保证变形过程中包套与高熵合金紧密结合，以形成有效的梯度三向压缩应力，以抑制由于高熵合金严重晶格畸变所引起的微裂纹的萌生与扩展，得到晶粒更为细小且组织均匀，具有优良服役能力的高熵合金锭坯。根据高熵合金的不同，变截面包套梯度应力改性后的材料可直接采用空冷处理，也可炉冷。
第五步：剥离。采用机械加工方法剥除变截面包套。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
高熵合金铸态组织以粗大的枝晶为主，严重影响其综合力学性能的发挥，尤其在动态冲击条件下，极易诱发断裂，存在巨大的工程隐患，需要进行塑性加工改性。而由于高强度高熵合金为往往晶体畸变严重，塑性加工过程中易发生开裂。通过施加外部包套可以有效提高压缩应力，但由于锭坯材料及几何尺寸的不同，等截面包无法针对变形过程形成有效的梯度压缩应力，对于晶格畸变严重的高熵合金无法有效抑制开裂，完成破碎粗大枝晶，细化晶粒，改善材料的微观组织与力学性能，实现加工改性。
鉴于此，本发明提出一种具有针对性的梯度应力塑性改性技术，根据高熵合金材料组成及锭坯几何结构的特点，设计加工与锭坯相适应的截面几何尺寸按一定规律变化的锭坯包套，通过对高熵合金锭坯施加变截面包套，有效控制塑性加工过程中锭坯内部应力分布，形成针对变形过程特征的梯度三向压缩应力，有效抑制高熵合金变形过程中微裂纹的萌生与扩展，完成对高熵合金微观组织的精细化有效控制，实现高效塑性改性，有效提高高熵合金的服役能力。
本发明使用铸造的高熵合金原始坯料，通过梯度应力改性获得晶粒细小，组织均匀，综合服役能力显著提升的锭坯，可以大幅度降低加工成本提高材料服役能力。本发明所用变截面包套材料易于获得，加工方便简单，通过普通车床或加工中心均可加工，而梯度应力改性过程可以在传统液压机或锻锤等加工设备上实现，简单易行，易于推广应用。
附图说明
图1为高熵合金锭坯制备的工艺流程图。
具体实施方式
以AlCoCrFeNiTi为例，本实施方式是一种通过高温梯度应力改性技术制备组织均匀并且力学性能显著提高的AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金锭坯的方法，具体时按以下步骤完成：
(1)准备高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5铸锭：选取成分为AlCoCrFeNiTi0.5的高熵合金的铸锭，6种元素的摩尔比分别为Al：Co：Cr：Fe：Ni：Ti＝1:1:1:1:1:0.5。
(2)均匀化热处理：将步骤(1)选取的AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为1000℃-1100℃，然后按照铸锭厚度0.8-1min/mm进行保温处理，均匀化热处理的保温时间为12h-100h，然后将高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5的铸锭随炉冷却，得到内部组织成分均匀化的高熵合金铸锭。
(3)变形过程模拟仿真：通过数值模拟软件对变形过程进行计算机仿真，获得变形过程锭坯不同部位的应力特征与规律，尤其是三向压缩应力的分布规律与损伤分布。
(4)包套设计：根据步骤(3)中的模拟仿真结果，选择包套材料并设计变截面包套结构，在此基础上通过模拟仿真优化包套不同位置的截面结构与尺寸，直至成形过程具有较为均匀的三向压应力场。
(5)包套加工：根据步骤(4)中得到的变截面包套结构尺寸，通过车床以及加工中心，加工变截面包套。此步骤中的包套材料通常采用常规碳钢以及不锈钢，包套高径比介于1:1至1.5:1之间。
(6)高温梯度应力改性：将步骤(2)中均匀化热处理得到高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5取出，放到步骤(5)中加工的得到的变截面包套内，得到包含高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5预加工坯料的锭坯。将锭坯加热至1050℃，进行镦拔改性。应变速率0.05s-1，先镦粗后拔长。根据几何尺寸的不同，可以每火一镦一拔或两镦两拔，然后重新加热。三个火次后空冷至室温，采用机械加工将包套剥离，得到铸态支晶完全破碎，组织均匀力学性能优良的AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金材料。
该步骤中所使用的模具为高温合金模具。在改性过程中要尽量保证包套与高熵合金紧密结合，以形成有效的梯度三向压缩应力。并且镦粗变形量不宜过大，拔长后需回炉加热。
根据高熵合金的不同，变截面包套梯度应力改性后的材料可直接采用空冷处理，也可炉冷。
本实施方式的优点：
(1)本实施方式通过高温梯度应力改性方法制备出的高熵合金构件，由于在过程中始终对高熵合金形成有效地梯度三向压缩应力，能够很好地抑制高熵合金严重晶格畸变所引起的微裂纹的萌生与扩展，得到晶粒更为细小且组织均匀，具有优良服役能力的高熵合金锭坯。
(2)本实施方式可以制备出较大尺寸的高熵合金构件，并且梯度应力改性过程可以在传统液压机或锻锤等加工设备上实现，简单易行，易于推广应用。

Claims (2)

1.一种通过高温梯度应力改性技术制备组织均匀的高性能高熵合金材料的方法，具体按以下步骤完成：
(1)针对服役环境的要求，准备所需要的高熵合金铸锭；
(2)均匀化热处理：将步骤(1)选取的高熵合金的铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为1000℃-1100℃，然后按照铸锭厚度0.8-1min/mm进行保温处理，然后随炉冷却，得到内部组织成分均匀化的高熵合金铸锭；
(3)变形过程模拟仿真：通过模拟软件对变形过程进行计算机仿真，获得变形过程锭坯不同部位的应力特征与规律；
(4)包套设计：根据步骤(3)中的模拟仿真结果，选择包套材料，所述包套材料为常规碳钢或不锈钢，并设计变截面包套结构；在此基础上通过模拟仿真优化包套不同位置的截面结构与尺寸，直至成形过程具有均匀的三向压应力场；
(5)包套加工：根据步骤(4)中得到的变截面包套结构尺寸，通过车床以及加工中心，加工在变形过程中能形成三向压缩应力的变截面包套，包套高径比介于1:1至1.5:1之间；
(6)高温梯度应力改性：将步骤(2)中均匀化热处理得到高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5放到步骤(5)中加工的得到的变截面包套内，得到包含高熵合金AlCoCrFeNiTi0.5预加工坯料的锭坯；将锭坯加热至高温改性加工温度，进行镦拔改性：先镦后拔，多火次加工，完成后冷却至室温，采用机械加工将包套剥离，得到组织均匀力学性能优良的高熵合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种通过高温梯度应力改性技术制备组织均匀的高性能高熵合金材料的方法，其特征在于：一、步骤4中包套为根据变形过程锭坯内部应力分布而设计的截面尺寸具有一定变化规律的变截面包套；二、通过施加变截面包套保证变形过程中高熵合金内部形成具有良好修复能力的梯度三向压缩应力场；三、变形过程中形成的梯度三向压缩应力可以抑制具有高晶格畸变的高熵合金变形过程中微裂纹的萌生与扩展，有效完成高熵合金微观组织的精细化调控；四、通过具有三向压缩自适应的微观应力场破碎铸态高熵合金粗大枝晶，改善组织均匀性，显著提高高熵合金服役能力。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105970132B (zh) * 2016-06-03 2018-06-12 北京理工大学 调控AlxCoCrFeNi双相高熵合金组织的方法
CN107083527B (zh) * 2017-04-20 2019-03-05 南京工程学院 一种热处理结合塑性变形提高单相高熵合金强度的方法
CN108004492A (zh) * 2017-11-17 2018-05-08 北京理工大学 一种高熵合金高效控轧改性方法
CN107881443B (zh) * 2017-11-17 2019-07-16 北京理工大学 一种高熵合金挤墩复合改性方法
CN108220837A (zh) * 2018-01-19 2018-06-29 北京理工大学 高熵合金错模剪拔加工技术
CN108342668A (zh) * 2018-01-19 2018-07-31 北京理工大学 高熵合金扭墩拔长复合加工技术
CN108918308A (zh) * 2018-05-16 2018-11-30 太原理工大学 一种钛合金表面梯度改性层弹塑性性能参数的定量表征方法
CN109457197B (zh) * 2019-01-10 2020-06-23 北京理工大学 一种超声与压力一体辅助高熵合金热处理技术
CN109706363B (zh) * 2019-01-11 2020-01-21 中南大学 一种共晶高熵合金及其制备的方法
CN112756524B (zh) * 2020-12-18 2022-08-23 陕西宏远航空锻造有限责任公司 一种变截面厚度钛合金锻件准β锻造加热方法及装置
CN112941397A (zh) * 2021-03-09 2021-06-11 贵州航天新力科技有限公司 一种具有高温力学性能优异的轻质中熵合金及其加工工艺

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102776430A (zh) * 2012-08-20 2012-11-14 太原理工大学 AlCoCrFeNiTix高熵合金材料及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102776430A (zh) * 2012-08-20 2012-11-14 太原理工大学 AlCoCrFeNiTix高熵合金材料及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Microstructural characterisation of high-entropy alloy AlCoCrFeNifabricated by laser engineered net shaping;I. Kunce et.al.;《Journal of Alloys and Compounds》;20150619;第648卷;第751-758页 *
Yuan Yu等.Characterization of BCC phases in AlCoCrFeNiTix high entropy alloys.《Materials Letters》.2014,第138卷第78-80页. *

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