CN107881443A - 一种高熵合金挤墩复合改性技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种专门针对高熵合金材料的热加工与晶粒细化的塑性改性技术制备组织均匀的高性能高熵合金材料的方法。本发明的目的主要在于：提供一种针对高熵合金服役要求的挤墩复合塑性改性方法。针对高熵合金的热加工特点，采用先墩再挤，挤完再墩，反复墩挤的方法，有效控制变形过程中高熵合金材料内部的应力状态，提高三向压缩应力，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。挤墩复合工艺易于实现，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。

Description

一种高熵合金挤墩复合改性技术
技术领域
本发明涉及一种专门针对高熵合金材料热加工与晶粒细化的塑性改性方法。
背景技术
高熵合金是近年来广受关注的新兴材料，具有高硬度、高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等良好的力学、物理及化学性能，在现代工程领域有着广泛的应用前景。但由于高熵合金晶格畸变严重，铸态组织为典型的枝晶结构，在高温变形条件下塑性较低，同时由于铸造缺陷的存在，经过高温锻造后易开裂，其优异的力学性能在工程应用中无法得到充分发挥，极大地限制了高熵合金的大规模工程应用。为了消除铸造缺陷，对高熵合金通常采用锻造改性。
高温锻造是重要的材料加工技术，可以闭合微裂纹，打碎树枝晶，有效改善材料的组织性能，是金属材料的重要改性方法。但高熵合金由于晶格畸变严重，锻造过程中易形成裂纹，极大的阻碍了塑性加工锻造改性工艺的应用。
镦粗加工是锻造加工中使锻件坯料髙度减小，横截面积增大的成形工艺。镦粗时，由于材料上下两个端面与锻造设备砧板之间存在接触摩擦，引起材料不均匀流动，会导致材料不同区域的温度、受力情况、变形程度、组织转变等不均匀，而对于高熵合金镦粗来说，由于上述问题与晶格畸变问题的共同作用，常易在侧表面产生纵向或呈45°方向的裂纹。
挤压，是对置于模具模腔(或挤压筒)内的金属坯料施加外力，迫使金属从模孔中挤出，获得所需端面形状、尺寸并具有一定力学性能的挤压制件的塑性加工方法，其应力状态是典型的三向压应力，可以有效闭合微裂纹。
鉴于此，本发明提出一种简单易实现的塑性加工技术，即挤墩复合改性技术，挤墩复合可以改善材料内部的应力状态，提高三向压应力，降低拉应力水平以提高材料成形性能的锻造方法，对于提高高熵合金塑性加工性能具有重要的作用和意义。通过对高熵合金锭坯施加充分多次挤墩复合加工，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，细化晶粒，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，此过程可以在传统挤压筒及锻锤等加工设备上实现，简单易行，易推广应用。
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挤墩复合塑性改性方法。针对高熵合金的热加工特点，采用先墩再挤，挤完再墩，反复墩挤的方法，有效控制变形过程中高熵合金材料内部的应力状态，提高三向压缩应力，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。
挤墩复合工艺易于实现，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，本发明挤墩复合改性方法采用以下技术方案来实现：
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900℃-1200℃的起始温度，按照棒料厚度0.8-1min/mm进行保温处理，保温12-100h，促使其内部组织均匀。
第二步：高熵合金棒料墩粗工艺分析及镦粗加工。结合所选用高熵合金的成份以及变形特点，通过软件计算与模拟仿真，获得墩粗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，分析高熵合金在不同墩粗条件下的变形以及三向压缩应力与损伤分布变化，获得最合适的墩粗高径比，进而优化墩粗方案，避免墩粗产生鼓形裂纹。在此基础上，依托优化的镦粗方案，对已经第一步均匀化的高熵合金锭坯进行镦粗加工，上下砧板采用平砧板，砧板预热至500度，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1。
第三步：高熵合金挤压工艺分析及挤压加工。墩粗完成后，对已变形的高熵合金胚料进行高温挤压。通过软件计算与模拟仿真，分析挤压过程中高熵合金的材料流动特征，获得优化的挤压工艺方案。在此基础上，结合分析结果，开展高熵合金挤压加工，减小坯料直径，增加材料长度。挤压温度900-1100度，挤压比小于2。
第四步：循环墩粗。将挤压完成后的高熵合金棒料再放入加热炉升温、保温。当达到变形温度后，将高熵合金取出进行再次高温墩粗加工改性。变形温度900℃-1200℃，优选1100℃，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1。
第五步：循环挤压。对经过再次镦粗的高熵合金坯料进行再次挤压加工，挤压温度900-1100度，挤压比小于2。
继续反复第四步及第五步流程，镦粗挤压复合循环，直至获得晶粒细小组织均匀，具有优良服役能力的高熵合金锭坯，所加工高熵合金组织性能满足服役要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
高熵合金由多元素组元组成，其铸态组织多以粗大的枝晶为主，这种组织结构会严重的影响高熵合金的综合性能。通过塑性加工可以破碎枝晶、细化晶粒，但是由于高熵合金中大原子半径组元的存在，导致其存在严重的晶格畸变，在塑性变形过程中容易导致开裂，裂纹的形成会严重影响材料的应用。通过挤墩复合加工可以有效提高压缩应力，控制变形过程中高熵合金材料内部的应力状态，提高三向压缩应力，完成破碎粗大枝晶的同时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，改善材料的微观组织与力学性能，实现加工改性。
附图说明
图1是高熵合金锭坯制备的工艺流程见说明书附图。
具体实施方式
以AlCrFeNiCuMu为例，本实施方式是一种通过墩挤复合技术制备组织均匀并且力学性能显著提高的AlCrFeNiCuMu0.5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：AlCrFeNiCuMu0.5铸锭：选取成分为AlCrFeNiCuMu0.5的高熵合金的铸锭，5种元素的摩尔比分别为Al：Cr：Fe：Ni：Cu:Mu＝1:1:1:1:1:0.5。
(2)均匀化热处理：将步骤(1)选取的AlCrFeNiCuMu 0.5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，得到内部组织成分均匀化的高熵合金铸锭。
(3)墩粗变形过程模拟仿真：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。在此基础上，结合材料应力与损伤特征，分析高熵合金在不同墩粗条件下的变形以及三向压缩应力与损伤分布变化，优化墩粗方案和墩粗比，避免墩粗产生鼓肚裂纹。监测高熵合金组织变化及晶粒度变化。
在此基础上，依托优化的镦粗方案，对已经第一步均匀化的AlCrFeNiCuMu0.5高熵合金锭坯进行镦粗加工，上下砧板采用平砧板，砧板预热至500度，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1。
(4)挤压加工设计及模拟仿真：通过软件计算与模拟仿真，分析挤压过程中AlCrFeNiCuMu0.5高熵合金的材料流动特征，获得优化的挤压工艺方案。在此基础上，结合分析结果，开展AlCrFeNiCuMu0.5高熵合金挤压加工。挤压温度 900-1200度，挤压比小于2。
(5)再次墩粗、挤压加工：将经挤压加工后的AlCrFeNiCuMu0.5放入加热炉加热，并重复第3步及第4步流程，反复墩挤细化AlCrFeNiCuMu0.5高熵合金组织，同时通过墩挤工艺的复合，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，结合金相分析及力学性能测试，最终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。
本实施方式的优点：
(1)本实施方式通过挤墩复合改性方法制备出的高熵合金构件，由于在加工过程中始终对高熵合金坯料实施反复挤压及墩粗，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，并且加工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)

1.一种专门针对高熵合金材料的热加工与晶粒细化的塑性改性技术,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)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900℃-1200℃的起始温度，按照棒料厚度0.8-1min/mm进行保温处理，保温12-100h，使其内部组织均匀；
(2)棒料墩粗加工及分析:结合所选用高熵合金的成份以及变形特点，通过软件计算与模拟仿真，获得墩粗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，分析高熵合金在不同墩粗条件下的变形以及三向压缩应力与损伤分布变化，优化墩粗方案和墩粗比，避免墩粗产生鼓肚裂纹，在此基础上，依托优化的镦粗方案，对已经均匀化的高熵合金锭坯进行镦粗加工，上下砧板采用平砧板，砧板预热至500度，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1；
(3)挤压加工及分析:墩粗完成后，对已变形的高熵合金胚料进行高温挤压,通过软件计算与模拟仿真，分析挤压过程中高熵合金的材料流动特征，获得优化的挤压工艺方案,在此基础上，结合分析结果，开展高熵合金挤压加工，减小坯料直径，增加材料长度,挤压温度900-1100度，挤压比小于2；
(4)再一次墩粗加工:将挤压完成后的高熵合金棒料在放入加热炉升温、保温，当达到变形温度后，将高熵合金取出进行再次高温墩粗加工改性，变形温度根据材料不同约为900℃-1200℃，优选1100℃，应变速率0.01s-1-0.1s-1，首选0.05s-1；
(5)再一次挤压加工:继续反复步骤(3)和步骤(4)的流程，镦粗挤压复合，挤压后需回炉加热，通过反复墩挤改善高熵合金组织，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。
2.根据权利要求1所述的一种专门针对高熵合金材料的热加工与晶粒细化的塑性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：1.挤墩复合工艺易于实现，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；2.由于在加工过程中始终对高熵合金坯料实施反复挤压及墩粗，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；3.挤压变形过程中形成的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；4.通过反复墩挤可以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，尤其是抗冲击等极端条件下的服役能力。
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