CN107523740B

CN107523740B - CuCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107523740B
Application number: CN201710856843.5A
Authority: CN
Inventors: 肖逸锋; 龚文娟; 匡雯慧; 吴靓; 许艳飞; 钱锦文; 李世哲; 陈宇
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: CN107523740A

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

CuCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法

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1CuCrFeNiTi高熵合金侵泡在0.5MH₂SO₄和3.5wt％NaCl溶液10天的质量变化

Claims

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；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%；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；

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（1）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（2）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；④在熔炼电流为70A～120A条件下熔炼步骤（2）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，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。