CN107523740A - CuCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高熵合金材料及其制备技术。高熵合金材料成分为CuCrFeNiTi,其中Cu:Cr:Fe:Ni:Ti的摩尔比依次为1:1:1:1:1。其制备方法为:一、超声处理:先后用丙酮溶液和无水乙醇超声清洗Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料、Ti材料;二、称料:按照等摩尔比称量各材料;三、熔炼:使用真空非自耗电极电弧熔炼炉对称量的材料重复熔炼4~5次制备合金。与传统的合金材料相比,本发明制备的CuCrFeNiTi高熵合金具有简单的面心立方结构、体心立方结构和Laves相,表现出较高的硬度和较强的耐蚀性,可应用于耐磨、耐腐蚀化工容器及工程用高强度耐蚀件。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制备方法,具体而言,涉及一种高 硬度、耐腐蚀的CuCrFeNiTi高熵合金及其制备方法,属于合金材料 及其制备技术领域。
背景技术
传统的合金设计理念是以一两种元素为基体,添加少量的其他元 素,组成合金,如镁合金、铝合金、不锈钢以及块体非晶合金等。传 统的晶体学理论认为,添加过多微量合金元素会导致形成多种金属间 化合物和其他复杂组织结构,使得合金的机械性能降低,在实际应用 中难以获得应用。随着现今工业工程技术的高速发展,单一材料性能 的不足已经成为制约其在工程领域进一步发展的瓶颈。因此研发人员 越来越倾向于采用高新技术开发制备高性能的新型材料,研究开发强 度、韧性、硬度、耐蚀性等各项性能皆优的新型材料,已成为材料领 域发展的主要方向。20世纪90年代,中国台湾学者叶均蔚率先提出 了一种新颖的合金设计理念,即多主元合金。所谓多主元合金,即由 5种及5种以上主要元素构成,且每种主要元素原子百分比为 5%~35%的合金。由于合金的组元种类多且含量都很高,其原子排列 混合熵很高,因此这种多主元合金又被称为多主元高熵合金。多主元 高熵合金打破了以一种合金元素为基的传统合金设计模式,可通过合 金成分优化设计,获得具有显微结构简单化、纳米析出物、非晶结构、 纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温蠕变、 耐高温氧化、耐回火软化等优异的性能组合合金,广泛应用于耐高压、 耐腐蚀化工容器及工程用高强度耐蚀件。因此,多主元高熵合金的研 发对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。因此,开发硬度高、 耐蚀性强的CuCrFeNiTi高熵合金也具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于开发出具有耐磨性和耐蚀性俱佳的高熵合金 ——CuCrFeNiTi高熵合金,使其满足在现代工业中人们对材料硬度、 耐蚀性能的要求,使得高熵合金在应用领域得到广泛应用。
本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为:一种高熵合金 材料,成分为CuCrFeNiTi,其中,Cu:Cr:Fe:Ni:Ti的摩尔比依次为 1:1:1:1:1。所述高熵合金采用的Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料 和Ti材料的纯度不小于99.7%,采用原材料的形态均为除粉末状外 的片状、块状或大颗粒状。
本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案还包括:一种成分 为CuCrFeNiTi的高熵合金材料的制备方法,其特征在于具体是按以 下步骤完成的:
一、超声处理:将Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料 置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超音波震荡器中清洗 15~30min,震荡后再倒入乙醇重复相同的步骤一次,然后置于45℃ 烘干箱中进行烘干5~6小时,得到的超声处理后的Cu材料、Cr 材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料。
二、称料:按照等摩尔比进行称量步骤一得到的超声处理后的各 材料;
三、熔炼:使用真空非自耗电极电弧熔炼炉熔炼合金,①将步骤 二称量的超声处理后的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次 放置在***水冷铜坩埚中,并将纯钛粒放置在最中间的水冷铜坩 埚中,放置完毕之后关闭炉门,拧紧样品室封闭旋钮。②对样品室抽真空,当真空度达到5×10-3Pa后,再充入纯度为99.99%氩气 直到炉内压力达到半个大气压,并重复此步骤2~3次;重复抽真 空的目的在于洗气,反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到 最小;③真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压, 此时便可开始进行熔炼;在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒 在熔炼电流为70A~120A条件下熔炼2~3次,每次熔炼时间为120s 左右,目的是尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽;④在熔炼电流为 70A~120A条件下熔炼步骤二中称量的超声处理后的Cu材料、Cr 材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料120s左右,待合金块冷却后将 其翻转,重复此操作4~5次,随炉冷却,得到CuCrFeNiTi高熵合 金。
本发明的有益效果在于:
1.与传统晶体材料相比,本发明的CuCrFeNiTi高熵合金由简单 的面心立方结构、体心立方结构的固溶体和laves相组成,未出 现金属间化合物等复杂相,合金组织均匀,且表现出高的硬度 和强的耐蚀性,所述高熵合金的显微硬度为586.4HV。应用前 景比较广阔。
2.本发明提供了一种CuCrFeNiTi高熵合金的制备方法,采用高 真空合金电弧熔炼进行制备,制备方法简单可靠。
附图说明
图1为本发明的CuCrFeNiTi高熵合金XRD图谱;
图2为本发明的CuCrFeNiTi高熵合金扫描电子显微镜(SEM)照片;
图3为本发明的CuCrFeNiTi高熵合金在0.5M H2SO4溶液和3.5%NaCl
溶液中的极化曲线。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能,本 领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点 及作用。
1、CuCrFeNiTi高熵合金成分设计。
本实施方式中的一种CuCrFeNiTi高熵合金是由Cu、Cr、Fe、 Ni和Ti五种元素组成的,其中,Cu:Cr:Fe:Ni:Ti的摩尔比依次为 1:1:1:1:1。
2、CuCrFeNiTi高熵合金材料选择。
所述高熵合金采用的Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti 材料的纯度不小于99.7%,采用原材料的形态均为除粉末状外的片 状、块状或大颗粒状。
3、CuCrFeNiTi高熵合金制备方法。
本实施方式的一种CuCrFeNiTi高熵合金的制备方法,制备步骤 如下:
⑴超声处理:将Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti材 料置于容器中,加入丙酮溶液,放置在超音波震荡器中清洗 15~30min,震荡后再倒入无水乙醇重复相同的步骤一次,然后置于 45℃烘干箱中进行烘干5~6小时,得到的超声处理后的Cu材料、Cr 材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料。
⑵称料:按照等摩尔比进行称量步骤一得到的超声处理后的Cu 材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料;
⑶熔炼:使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金,①将步骤二称 量的超声处理后的材料按熔点由低至高的原则从下往上依次放置在 ***水冷铜坩埚中,并将纯钛粒放置在最中间的水冷铜坩埚中,放置 完毕之后关闭炉门,拧紧样品室封闭旋钮。②对样品室抽真空,当真 空度达到5×10-3Pa后,再充入纯度为99.99%氩气直到炉内压力达到 半个大气压,并重复此步骤2~3次;③真空抽完之后充放氩气直到炉 内压力达到半个大气压,此时便可开始进行熔炼;在熔炼样品之前先 将熔炼池中的纯钛粒在熔炼电流为70A~120A条件下熔炼2~3次,每 次熔炼时间为120s左右;④在熔炼电流为70A~120A条件下熔炼步 骤二称量的超声处理后的Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti 材料120s左右,待合金块冷却后将其翻转,为使原材料充分混合均 匀,重复此操作4~5次,待合金随炉冷却至室温后打开非自耗真空电 弧熔炼炉取出样品,得到CuCrFeNiTi高熵合金铸锭。
4、CuCrFeNiTi高熵合金的组织结构及性能分析
⑴CuCrFeNiTi高熵合金SEM微观组织及XRD分析
利用线切割将获得的高熵合金铸锭切割成5mm×5mm×10mm的 长方体试样,将获得的试样依次用不同粒度的砂纸180#、360#、600#、 800#、1000#、1200#、1500#和2000#进行研磨,再使用金刚石研磨 膏在抛光机进行抛光,得到抛光后的试样,再使用X射线衍射仪(XRD) 对抛光后的试样进行相组成分析,Cu作为辐射源,石墨单色器,操 作电压40kV、电流250mA,自转靶。扫描速率8°/min,选择衍射角 范围为2θ=5-90°。利用MDI-Jade 6.0软件分析实验数据,确定物相。 采用扫描电子显微镜对抛光后的试样进行显微组织观察和成分分析 EDS进行分析,主要采用背散射电子成像。
图1所示为CuCrFeNiTi高熵合金的XRD图谱,从图中可以看出, CuCrFeNiTi高熵合金的主要组成相为体心立方结构固溶体相(BCC) 和面心立方结构固溶体相(FCC),从XRD图谱中分析,CuCrFeNiTi 高熵合金并没有形成数目众多的金属间化合物,这主要是由其高混合 熵特性决定的。图2所示为CuCrFeNiTi高熵合金背散射电子图像, 从图中可以看出该合金组织由树枝晶(如图2中黑色区域C和灰色 区域B)和树枝晶间(如图2中白色区域A)组织组成。
⑵CuCrFeNiTi高熵合金的显微硬度测定及分析
将上述抛光后的试样,采用HZr-1000型显微硬度计测试其硬度, 该显微硬度计的试验力为9.807N(1kgf),加载15s。试样选取9个不 同位置测量其显微硬度,去掉最高硬度值和最低硬度值,取其余硬度 值的平均数值作为该试样的显微硬度值,最终得到该合金的显微硬度 值为586.4HV。
⑶CuCrFeNiTi高熵合金的耐蚀性能的测试及分析
利用线切割将获得的高熵合金铸锭切割成5mm×5mm×6mm与 5mm×5mm×10mm的长方体试样,将获得的试样依次用不同粒度的 砂纸180#、360#、600#、800#、1000#、1200#、1500#和2000#进行 研磨,再使用金刚石研磨膏在抛光机进行抛光,得到抛光后的试样。 将抛光后的试样放置在容器中,加入无水乙醇,放置在超音波震荡器 中清洗15~30min,然后置于50℃烘干箱中进行烘干3小时,再进行 称量,之后将样品分别侵入浓度为0.5MH2SO4和3.5wt%NaCl溶液10 天,分析腐蚀前后的重量变化,表1为CuCrFeNiTi高熵合金侵泡在0.5MH2SO4和3.5wt%NaCl溶液10天的质量变化。利用型号为CS2350 的电化学工作站对抛光后的样品进行电化学测验,研究该高熵合金在 0.5MH2SO4溶液和3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀行为,图3为 CuCrFeNiTi高熵合金在0.5MH2SO4溶液和3.5wt%NaCl溶液中的动电 位极化曲线。
从表1可以看出CuCrFeNiTi高熵合金在0.5MH2SO4溶液和 3.5wt%NaCl溶液中腐蚀前后质量变化很小,且合金的表面几无改变。 从图3可以看出,该合金在0.5MH2SO4溶液和3.5wt%NaCl溶液中的 腐蚀电位相差不大,但该合金在0.5MH2SO4溶液中腐蚀电流密度比在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀电流密度大了两个数量级,因此,该合 金在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀性能比在0.5MH2SO4溶液中的腐蚀性 能要好,这与表1结果是一致的。表明本申请制备的CuCrFeNiTi高 熵合金具有优良的耐腐蚀性能。
表1 CuCrFeNiTi高熵合金侵泡在0.5MH2SO4和3.5wt%NaCl溶液10 天的质量变化
Claims (3)
1.一种高熵合金材料,其特征在于:所述高熵合金成分为CuCrFeNiTi,其中,Cu:Cr:Fe:Ni:Ti的摩尔比依次为1:1:1:1:1。
2.一种高熵合金的制备方法,其特征在于权利要求1中所述的Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料的纯度不小于99.7%。
3.一种高熵合金的制备方法,其特征在于权利要求1中所述的Cu材料、Cr材料、Fe材料、Ni材料和Ti材料的形态均为除粉末状外的片状、块状或大颗粒状。
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