CN110983101A - 一种高屈服高延展率的中高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 22‑30wt％、Al 4‑10wt％、Ni 5‑20wt％、Ce 0.5‑2wt％和Cu余量，并使用真空压铸成型，本发明的中高熵合金同时具有高强度和高塑性。

Description

一种高屈服高延展率的中高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种高屈服高延展率的中高熵合金及其制备方法。
背景技术
随着现代经济，科技，军事的发展，人们对于材料的性能提出了更高的要求。对于不同的使用环境，对材料性能的要求也不相同。对于电子产品和汽车零部件，要求材料具有高强度和高塑性。目前常用的铝合金，镁合金技术成熟，成本较低，但是其机械强度偏低，限制了其进一步的应用。铜合金具有优异的铸造性能和良好的塑性，但是其强度偏低。
高熵合金是最近兴起的合金设计理念，其具有优异的性能。与传统合金相比，高熵合金同时具备高的屈服强度和延展性，具有良好的微观结构稳定性和良好疲劳性能，耐腐蚀性能。但是现在技术的高熵合金材料强度较低，并且无法同时保证高强度和高塑性，即使能同时达到高强度和高塑性的高熵合金材料，制成工艺步骤也比较复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高屈服高延展率的中高熵合金及其制备方法，能同时兼顾高强度和高塑性，元素组成简单，工艺步骤简单，适合产业化大规模生产。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn22-30wt％、Al 4-10wt％、Ni 5-20wt％、Ce 0.5-2wt％和Cu余量。
根据
Figure BDA0002269865250000021
其中n为组元数；ci为第i组元原子百分比；R为气体常数。将金属元素的质量百分比转换成原子百分比，带入上式，计算出，本发明合金的熵值大于1.2R，属于中熵合金。
本发明添加金属原料的作用如下：
Cu：铜具有优良的延展性和耐蚀性，同时铜具有良好的铸造性能。
Mn：锰与铜可以无限互溶，起到固溶强化的作用。锰在熔炼过程中既可以作为脱氧剂，减少合金的氧含量；也可以提高溶体的流动性，提高成型能力。在合金中，Mn与Ni可以形成Mn/Ni化合物，起到沉淀强化的作用。
Ni：镍是白铜的主要合金元素。铜和镍可以无限互溶形成固溶体，起到固溶强化的作用。镍在铜合金中可以以离子形式进入腐蚀产物氧化亚铜点阵结构，提高合金的耐蚀性。
Al：铝是青铜常用的添加元素。铝标椎电极电位是-1.66V，更易形成离子，于氧结合，形成致密氧化膜，进一步提高合金耐蚀性。同时铝和镍会形成NiAl化合物，起到沉淀强化的作用，提高合金的强度，降低合金塑性。
Ce：添加铈可以起到净化熔体，除气除杂，改善微观结构的作用。实验证明，添加铈可以明显提高屈服强度和延伸率。
高屈服高延展率的中高熵合金仅由五个金属元素组成，使用原料均为工业常用原料，与现有技术相比，抗拉强度、屈服强度和延伸率均有明显提升，在保证高屈服的同时仍具有高塑性。
具体地，一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn27wt％、Al5 wt％、Ni 12wt％、Ce 0.65wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
1)前处理：将原料进行超声波清洗并烘干；
2)熔炼：抽真空，先熔炼再精炼后，最后冷却。其中，熔炼后精炼是为了保证各组元均匀混合，同时去除熔体中的气体和夹杂，净化熔体，提高铸锭质量；
3)压铸成型：模具温度为260-280℃，熔料温度为990-1030℃。
进一步，步骤1)中，水温为60℃，清洗时间为360s；烘干温度为110℃，烘干时间为1200s。
再进一步，步骤2)中，真空度为1Pa；熔炼功率为150kW，熔炼时间为25-30min；精炼功率为110kW，精炼时间为7-10min；冷却时间为10-15min。
进一步，步骤3)中，在真空压铸机里压铸，真空度为50Pa。真空压铸与普通压铸法相比具有以下特点：(1)气孔率大大降低；(2)真空压铸的铸件硬度高，微观组织细小。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明使用的原料价格低和稳定易得，通过添加铈可以明显提高屈服强度和延伸率，在保证高屈服的同时还兼具高塑性。
(2)本发明的制备方法步骤简单，适用于工业化生产。
附图说明
图1为未添加铈时熵合金的金相示意图；
图2为本发明添加铈后的金相示意图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn25wt％、Al4wt％、Ni 15wt％、Ce 0.5wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
1)前处理：将原料进行超声波清洗并烘干；其中水温为60℃，清洗时间为360s；烘干温度为110℃，烘干时间为1200s。
2)熔炼：抽真空先熔炼再精炼后，冷却；其中真空度1Pa；熔炼功率为150kW，熔炼时间为25min；精炼功率为110kW，精炼时间为7min；冷却时间为10min。
3)压铸成型：在真空压铸机里压铸，真空度为50Pa，模具温度为260℃，熔料温度为990℃。
实施例2
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 27wt％、Al5 wt％、Ni 12wt％、Ce 0.65wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
1)前处理：将原料进行超声波清洗并烘干；其中水温为60℃，清洗时间为360s；烘干温度为110℃，烘干时间为1200s。
2)熔炼：抽真空先熔炼再精炼后，冷却；其中真空度为1Pa；熔炼功率为150kW，熔炼时间为26min；精炼功率为110kW，精炼时间为8min；冷却时间为11min。
3)压铸成型：在真空压铸机里压铸，真空度为50Pa，模具温度为270℃，熔料温度为1000℃。
实施例3
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 26wt％、Al 6wt％、Ni 10wt％、Ce 0.8wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
1)前处理：将原料进行超声波清洗并烘干；其中水温为60℃，清洗时间为360s；烘干温度为110℃，烘干时间为1200s。
2)熔炼：抽真空先熔炼再精炼后，冷却；其中真空度为1Pa；熔炼功率为150kW，熔炼时间为30min；精炼功率为110kW，精炼时间为10min；冷却时间为15min。
3)压铸成型：在真空压铸机里压铸，真空度为50Pa，模具温度为280℃，熔料温度为1030℃。
实施例4
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 29wt％、Al 7wt％、Ni 10wt％、Ce 1.2wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例1相同。
实施例5
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 27wt％、Al 5wt％、Ni 12wt％、Ce 1.8wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例2相同。
实施例6
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 30wt％、Al 3wt％、Ni 15wt％、Ce 2wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例3相同。
实施例7
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 22wt％、Al 8wt％、Ni 10wt％、Ce 2wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例1相同。
实施例8
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 30wt％、Al 8wt％、Ni 15wt％、Ce 2wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例3相同。
对照组1
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn 27wt％、Al 5wt％、Ni 13wt％、Ce 0wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例1相同。
对照组2
一种高屈服高延展率的中高熵合金，由以下重量百分比的元素组成：Mn28wt％、Al5wt％、Ni 12wt％、Ce 3wt％和Cu余量。
高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，与实施例1相同。
性能测试
对实施例1-8和对照组进行抗拉强度、屈服强度和延伸率测试，测试标准采用国际GB/T 228.1-2010。再对实施例1和对照组进行金相测试。
表1实施例1-6和对照组的性能测试数据
抗拉强度(Mpa) 屈服强度(Mpa) 延伸率(％)
实施例1 989 832 6.0
实施例2 999 850 5.5
实施例3 986 865 4.0
实施例4 953 824 4.0
实施例5 998 867 2.5
实施例6 948 820 2.5
实施例7 995 858 2.0
实施例8 980 847 2.0
对照组1 956 843 1.5
对照组2 942 814 1.5
从表1可知，对照组1没有添加铈，所以抗拉强度、屈服强度和延伸率均低于实施例1-8，所以铈含量对合金的性能影响明显；锰、镍和铝的含量在本发明范围内对性能影响不大。铈可以提高合金的强度，同时明显提高合金的塑性。合金延伸率随着铈含量的增加先增加后减小。对照组2的Ce添加量为3wt％，大于本发明限定添加Ce的最大值，但是对照组2的抗拉强度、屈服强度和延伸率均低于实施例1-8，综上所述，所以说明本发明限定的Ce添加量范围0.5-2wt％为最适范围。其中实施例2得到最佳的综合性能，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为999Mpa、850Mpa和5.5％。
如图1和图2所示，添加铈元素前后合金微观组织差异巨大。添加铈元素后，合金基体中分布的细小第二相更加均匀，可以综合提高合金的强度和塑性。同时基体中出现少量20微米以下的花瓣状组织，适量的该组织可以综合提升合金的性能。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种高屈服高延展率的中高熵合金，其特征在于，由以下重量百分比的元素组成：Mn22-30wt％、Al 4-10wt％、Ni 5-20wt％、Ce 0.5-2wt％和Cu余量。
2.如权利要求1所述的高屈服高延展率的中高熵合金，其特征在于，由以下重量百分比的元素组成：Mn 27wt％、Al 5wt％、Cu 55.35wt％、Ni 12wt％、Ce 0.65wt％。
3.如权利要求1-2任一所述的高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)前处理：将原料进行超声波清洗并烘干；
2)熔炼：抽真空，先熔炼再精炼后，最后冷却；
3)压铸成型：模具温度为260-280℃，熔料温度为990-1030℃。
4.如权利要求3所述的高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤1)中，水温为60℃，清洗时间为360s；烘干温度为110℃，烘干时间为1200s。
5.如权利要求3所述的高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，真空度为1Pa；熔炼功率为150kW，熔炼时间为25-30min；精炼功率为110kW，精炼时间为7-10min；冷却时间为10-15min。
6.如权利要求3所述的高屈服高延展率的中高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤3)中，在真空压铸机里压铸，真空度为50Pa。
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