CN111733358B - 一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 - Google Patents
一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111733358B CN111733358B CN202010520193.9A CN202010520193A CN111733358B CN 111733358 B CN111733358 B CN 111733358B CN 202010520193 A CN202010520193 A CN 202010520193A CN 111733358 B CN111733358 B CN 111733358B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- entropy alloy
- smelting
- strength
- free
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 147
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 140
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 49
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 47
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 21
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 9
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 claims description 7
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000007306 turnover Effects 0.000 claims description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 abstract description 14
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 abstract description 11
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 abstract description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 11
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 3
- 229910018657 Mn—Al Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 229910018507 Al—Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/023—Alloys based on nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/058—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
本发明公开一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法，所述的无钴高熵合金，其中Fe：Ni：Cr：Mn：Al的原子百分比分别为30%~27.5%：30%~27.5%：15%：10%：15%~20%。制备工艺如下：选用纯度高于99.9wt.%的Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素作为原料进行配料，利用非自耗电弧炉熔炼制备该高熵合金。本发明所述高熵合金组织均匀，表现出优异的综合力学性能，且不含昂贵的Co元素，价格低廉。所述高熵合金的屈服强度均大于等于770 MPa，断裂应变均大于等于45%，耐3.5wt.%NaCl腐蚀性均优于不锈钢SUS304，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备领域，提供一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金。
背景技术
高熵合金是基于“化学无序”发展的新材料，主要提出了从熵的角度开发和研究合金材料，突破了过去合金材料基元的限制。高熵合金一般由五种及以上金属或非金属以等比或近等原子比的方式组合而成。为了探索更为广阔的领域，学者们将高熵合金的定义延申到合金内每种主元在体系中所占比例可以在5at.%~35at.%之间。与传统合金不同，多主元高熵合金是多种主元共同作用的结果，而非单一的体现出某种元素特有的性质。研究表明，多主元高熵合金凝固后，不仅不会形成数目众多的金属间化合物，反而倾向于形成简单的固溶体相。高熵合金的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及“鸡尾酒”效应使合金表现出优异的力学性能，良好的耐磨性、耐腐蚀、耐高温氧化性、高电阻率、优异的磁电等综合性能，具有广阔的应用前景。
FeNiCoCrMn合金最先由Cantor等人报道的。该合金由单一的FCC固相组成，在低温下表现出良好的强度和延性，但在室温下屈服强度难以满足工程实际需要。因此为了提高合金强度，研究者们做出了很大努力，但大多以加入高价Co元素，这大幅度提高成本。
刘亮等对AlXCoCuFeNi合金研究则发现，随Al含量的增加，组织形貌由树枝晶形貌向等轴晶形貌转变，合金的硬度也显著增加；在AlXCoCuFeNi合金中，Al1CoCuFeNi合金具有最佳的室温压缩性能，抗压强度及压缩率分别为1548 MPa和8.9%。
综上，纵使目前所研发的合金室温强度优异，但韧性仍较低，且大量研究中含有较多昂贵的Co元素，为了从低价实用角度探索新材料，选择用其他元素替代Co。
发明内容
针对现有高熵合金强塑性匹配差问题，本发明提供一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金。为实现本发明的目的，提供以下技术方案：
一种高强高韧耐腐蚀的无钴高熵合金，其中，其中Fe：Ni：Cr：Mn：Al的原子百分比分别为Fe：27.5%~30%、Ni：27.5%~30%、Cr：12%-18%、Mn：8%-12%、Al：15~20%。
进一步的，当原料组分按原子百分比如下：Fe：30%、Ni：30%、Cr：15%、Mn：10%、Al：15%时，所述合金为FCC+BCC+B2结构。
进一步的，当原料组分按原子百分比如下：Fe：27.5%、Ni：27.5%、Cr：15%、Mn：10%、Al：20%时，所述合金为BCC+B2结构。
其中，该制备方法包含以下几个步骤：
步骤一，选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素作为原料进行配料；
步骤二，去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗、干燥；
步骤三，经熔炼得到所述的Fe-Ni-Cr-Mn-Al高熵合金。
进一步的，步骤一中，为避免熔炼过程出现有害杂质等影响合金性能，金属原料纯度均高于99.9wt.%。
进一步的，步骤三中，将从步骤一和二中获得的原料置于熔炼炉内，于真空度10-3~10-2Pa下进行熔炼。
（3）具体熔炼操作：根据合金熔点，将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于上层，以使其在熔炼过程包裹于低熔点原料外层，减少挥发。考虑到炉内蒸汽压高，Mn易挥发，因此在抽真空前，添加额外1-1.5wt.% Mn。为保证真空炉内含氧量尽可能少，抽真空至10-3~10-2Pa时，充入高纯氩气（纯度99.99%）至0.3×105Pa-0.5×105Pa，目的使排尽炉内、气体管内残留的氧气。再进行抽真空10-3~10-2Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力<1×10-3Pa后，再充入氩气至0.3×105Pa-0.5×105Pa，进行正式熔炼之前，需要进行吸氧实验，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti约3-5mm，引弧后熔炼1-2min，去除残留氧气，防止高熵合金熔炼时被氧化。熔炼合金锭时，需进行适当磁搅拌，保证受热均匀。然后将电弧移动到坩埚，控制电流20A-300A进行熔炼，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作5~7遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金。
上述方案的优选方案，将Fe、Al、Mn依次铺于坩埚底层，将Cr、Ni依次放置于外层，抽真空至6×10-2Pa时，充入氩气至0.4×105Pa，再进行抽真空，用分子泵将炉内抽至压力<1×10-3Pa后，再充入氩气至0.5×105Pa。
步骤（3）的熔炼过程中，将电弧移动到高熵合金原料坩埚时，设置电流强度为20-30A，加大电流至120-160A，使高熵合金原料的Cr和Ni熔化，晃动电极，让熔化的Cr和Ni沿着原料表层流动到坩埚底部，使熔化的金属液包裹底部的Mn和Al，再加大电流至280-300A，熔炼2-2.5分钟。
作为优选方案，步骤（3）的熔炼过程中，将电弧移动到高熵合金原料坩埚时，设置电流强度为25A，迅速加大电流至150A，熔炼20s，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟。
本发明的技术构思是：Fe、Mn、Cr、Ni、Co等原子比形成的高熵合金被报道过是具有稳定单相FCC固溶体，而具有单相FCC结构的合金塑性好，强度差，难以满足工业生产应用要求。因此，为降低合金成本，同时考虑到Al元素的添加可以促进BCC相的形成，强化组织，用Al元素代替高价Co元素。在Fe-Ni-Cr-Mn-Al中，Al元素原子半径相对较大，易产生严重晶格畸变效应，提供合金强度。同时Al与Ni二元混合焓最负（在该合金体系中），易形成Al-Ni金属间化合物，即B2相，弥散分布在结构中，在并未严重牺牲塑性的基础上，大大提高合金强度。
上述高熵合金作为优质廉价结构材料的应用。通过研究Al含量对FeNiCrMn高熵合金的凝固组织和性能影响规律，从而获得一种具有优良性能的无Co高熵合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金，所述高熵合金组织均匀，所述高熵合金的屈服强度均大于等于770 MPa，断裂应变均大于等于45%，具有很高的强度同时，表现出优异的塑韧性。所述高熵合金的自腐蚀电位Ecorr均大于等于-0.106V，临界点蚀电位Ep均大于等于0.449V。合金耐3.5wt.%NaCl腐蚀性能均高于不锈钢SUS304。具有良好的耐蚀性能和抗点蚀能力，高于不锈钢SUS304，同时抗点蚀能力良好。并且该高熵合金不含昂贵地Co，价格相对低廉，在作为优质廉价结构材料的应用时，作为优选方案，本发明将Fe、Ni的摩尔比设置为1:1。
附图说明
图1为高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的XRD图谱。
图2为高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的室温压缩应力应变曲线。
图3为高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的极化曲线。
图4 为高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金金相组织图，其中，(a)为Fe30Ni30Cr15Mn10Al15；(b)为Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20；(c)Fe32.5Ni32.7Cr15Mn10Al10；(d)Fe25Ni25Cr15Mn10Al25。
图5为高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金背散射显微组织照片，其中(a)与(b)为Fe30Ni30Cr15Mn10Al15；(c)与(d)为 Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20；(e)与(f)Fe32.5Ni32.7Cr15Mn10Al10；(g)与(h)Fe25Ni25Cr15Mn10Al25。
具体实施方式
对所述高熵合金的组织结构表征、力学性能及电化学性能测试信息如下：
(1)物相分析：采用UltimaIV型Cu Kα射线衍射仪（λ=1.54Å）进行x射线衍射分析，工作电压和电流分别为40Kv和40mA，以2θ扫描范围从20°到100°，速度4°/min，结果如图1。
(2)显微组织：利用扫描电子显微镜在不同倍数下对试样进行组织观察，结合仪器附带的能谱对不同区域进行点扫描与面扫描，分析元素成分，结果如图4、5。
(3)力学性能：根据GB/T 7314-2017金属材料室温压缩试验方法的相关要求，实施室温压缩实验，实验压缩加载速率为0.36mm/min。每种成分合金进行2次实验，应力应变曲线数据为两次平均值，结果如图2。
(4)电化学性能：在恒电位仪工作站PARSTAT 2263上进行动电位极化实验，将试样浸入3.5wt.% NaCl溶液中。电化学测试采用三电极体系，工作电极为测试试样，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为纯铂片。扫描速率为5mV/s，扫描电位区间为-2V-1V，当电流密度超过1mA/cm2停止实验，扫描重复2次以确保准确性，结果如图3。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金Fe30Ni30Cr15Mn10Al15
步骤一、选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度均大于99.9wt.%。
步骤二、所述合金的Fe：Ni：Cr：Mn：Al的摩尔比依次为30%：30%：15%：10%：15%，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化为各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Fe)=32.40%、wt(Ni)=34.05%、wt(Cr)=15.08%、wt(Mn)=10.63%、wt(Al)=7.84%，并以制备合金总质量进行各元素配料。
步骤三、利用机械与化学相结合的方法去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗，烘干备用，即利用砂纸打磨去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并利用有机溶液超声清洗，随后烘干备用。
步骤四、将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于外层，Mn再添加占Fe、Ni、Cr、Mn、Al总质量的1wt.%，抽真空至10-3~10-2Pa时，充入氩气至0.4×105Pa，再进行抽真空6×10-2Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力0.8×10-3Pa后，再充入氩气至0.4×105Pa，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti 4mm，引弧后熔炼1.5min，去除残留氧气，控制电流至25A，然后将电弧移动到高熵合金原料上，加大电流至150A，熔炼20s，使高熵合金原料的Cr和Ni熔化，晃动电极，让熔化的Cr和Ni沿着原料表层流动到坩埚底部，使熔化的金属液包裹底部的Mn和Al，尽量减少熔炼过程中原料挥发，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作5遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金Fe30Ni30Cr15Mn10Al15。
对实施例中的Fe30Ni30Cr15Mn10Al15高熵合金试样进行物相分析，其X射线衍射（XRD）谱图如图1所示。由图中可以看出Fe30Ni30Cr15Mn10Al15合金为FCC+BCC+B2结构。
对本例中的Fe30Ni30Cr15Mn10Al15高熵合金试样进行显微组织分析，其光学显微镜照片如图4(a)所示，背散射显微组织（BSE）照片如图5（a-b），由图分析可知，Fe30Ni30Cr15Mn10Al15合金为片层状组织，形成的FCC相和BCC相呈交替排列。
对本例中的Fe30Ni30Cr15Mn10Al15高熵合金试样进行室温压缩实验，其压缩真应力-应变曲线如图2所示，可知Fe30Ni30Cr15Mn10Al15合金的屈服强度为770MPa，断裂应变大于70%。具有良好的塑性和强度。
对本例中的Fe30Ni30Cr15Mn10Al15高熵合金试样进行电化学性能测试，其极化曲线如图3所示，可知Fe30Ni30Cr15Mn10Al15合金的Ecorr=-0.023V，Icorr=92.79μA/cm2，Ep=0.585V。研究表明(DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.07.085)，不锈钢SUS304的自腐蚀电位Ecorr=-0.215V，临界点蚀电位Ep=0.613V。对比得，Fe30Ni30Cr15Mn10Al15合金的耐3.5wt.% NaCl腐蚀性能优异，明显高于不锈钢SUS304，同时抗点蚀能力良好。
实施例2
一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20
步骤一、选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度均大于99.9wt.%。
步骤二、所述合金的Fe：Ni：Cr：Mn：Al的摩尔比依次为27.5%：27.5%：15%：10%：20%，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化为各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Fe)=30.60%、wt(Ni)=32.16%、wt(Cr)=15.54%、wt(Mn)=10.95%、wt(Al)=10.75%，并以制备合金总质量进行各元素配料。
步骤三、利用机械与化学相结合的方法去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗，烘干备用，即利用砂纸打磨去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并利用有机溶液超声清洗，随后烘干备用。
步骤四、将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于上层，Mn再添加占Fe、Ni、Cr、Mn、Al总质量的1wt.%，抽真空至10-3~10-2Pa时，充入氩气至0.4×105Pa，再进行抽真空6×10-2Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力0.8×10-3Pa后，再充入氩气至0.4×105Pa，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti 4mm，引弧后熔炼1.5min，去除残留氧气，控制电流至25A，然后将电弧移动到高熵合金原料上，加大电流至150A，熔炼25s，使高熵合金原料的Cr和Ni熔化，晃动电极，让熔化的Cr和Ni沿着原料表层流动到坩埚底部，使熔化的金属液包裹底部的Mn和Al，尽量减少熔炼过程中原料挥发，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作6遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20高熵合金。
对实施例中的Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20高熵合金试样进行物相分析，其X射线衍射（XRD）谱图如图1所示。由图中可以看出Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20合金为BCC+B2结构。
对本例中的Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20高熵合金试样进行显微组织分析，其光学显微镜照片如图4(b)所示，背散射显微组织（BSE）照片如图5（c-d），由图分析可知，Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20合金组织为非等轴树枝晶形貌。
对本例中的Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20高熵合金试样进行室温压缩实验，其压缩真应力-应变曲线如图2所示，可知Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20合金的屈服强度为1013MPa，抗压强度为1590MPa，断裂应变45%，具有很高的强度同时，表现出良好的塑韧性。
对本例中的Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20高熵合金试样进行电化学性能测试，其极化曲线如图2所示，可知Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20合金的Ecorr=-0.106V，Icorr=99.74μA/cm2，Ep=0.449V。研究表明(DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.07.085)，不锈钢SUS304的自腐蚀电位Ecorr=-0.215V，临界点蚀电位Ep=0.613V。对比可得，Fe27.5Ni27.5Cr15Mn10Al20合金耐3.5wt.% NaCl腐蚀性能优异，高于不锈钢SUS304，同时抗点蚀能力良好。
实施例3
一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10
步骤一、选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度均大于99.9wt.%。
步骤二、所述合金的Fe：Ni：Cr：Mn：Al的摩尔比依次为32.5%：32.5%：15%：10%：10%，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化为各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Fe)=34.11%、wt(Ni)=35.84%、wt(Cr)=14.66%、wt(Mn)=10.32%、wt(Al)=5.07%，并以制备合金总质量进行各元素配料。
步骤三、利用机械与化学相结合的方法去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗，烘干备用，即利用砂纸打磨去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并利用有机溶液超声清洗，随后烘干备用。
步骤四、将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于外层，Mn再添加占Fe、Ni、Cr、Mn、Al总质量的1wt.%，抽真空至10-3~10-2Pa时，充入氩气至0.4×105Pa，再进行抽真空6×10-2Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力0.8×10-3Pa后，再充入氩气至0.4×105Pa，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti 4mm，引弧后熔炼1.5min，去除残留氧气，控制电流至25A，然后将电弧移动到高熵合金原料上，加大电流至150A，熔炼20s，使高熵合金原料的Cr和Ni熔化，晃动电极，让熔化的Cr和Ni沿着原料表层流动到坩埚底部，使熔化的金属液包裹底部的Mn和Al，尽量减少熔炼过程中原料挥发，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作5遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10。
对实施例中的Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10高熵合金试样进行物相分析，其X射线衍射（XRD）谱图如图1所示。由图中可以看出Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10合金为FCC+BCC结构。
对本例中的Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10高熵合金试样进行显微组织分析，其光学显微镜照片如图4(c)所示，背散射显微组织（BSE）照片如图5（e-f），由图分析可知，Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10合金为典型的树枝晶组织。
对本例中的Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10高熵合金试样进行室温压缩实验，其压缩真应力-应变曲线如图2所示，可知Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10合金的屈服强度为280MPa，断裂应变大于70%。塑性较好，但屈服强度远低于770MPa。
对本例中的Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10高熵合金试样进行电化学性能测试，其极化曲线如图3所示，可知Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10合金的Ecorr=-0.717V，Icorr=57.80μA/cm2，Ep=-0.209V。研究表明(DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.07.085)，不锈钢SUS304的自腐蚀电位Ecorr=-0.215V，临界点蚀电位Ep=0.613V。对比得，Fe32.5Ni32.5Cr15Mn10Al10合金的耐3.5wt.% NaCl腐蚀性能低于不锈钢SUS304，同时抗点蚀能力较差。
实施例4
一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金Fe25Ni25Cr15Mn10Al25
步骤一、选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素的金属颗粒作为原料，所有金属原料纯度均大于99.9wt.%。
步骤二、所述合金的Fe：Ni：Cr：Mn：Al的摩尔比依次为25%：25%：15%：10%：25%，根据高熵合金的命名特点，将各元素的原子摩尔比转化为各元素质量占合金总质量的百分数分别为wt(Fe)=28.68%、wt(Ni)=30.15%、wt(Cr)=16.02%、wt(Mn)=11.29%、wt(Al)=13.86%，并以制备合金总质量进行各元素配料。
步骤三、利用机械与化学相结合的方法去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗，烘干备用，即利用砂纸打磨去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并利用有机溶液超声清洗，随后烘干备用。
步骤四、将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于上层，Mn再添加占Fe、Ni、Cr、Mn、Al总质量的1wt.%，抽真空至10-3~10-2Pa时，充入氩气至0.4×105Pa，再进行抽真空6×10-2Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力0.8×10-3Pa后，再充入氩气至0.4×105Pa，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti 4mm，引弧后熔炼1.5min，去除残留氧气，控制电流至25A，然后将电弧移动到高熵合金原料上，加大电流至150A，熔炼25s，使高熵合金原料的Cr和Ni熔化，晃动电极，让熔化的Cr和Ni沿着原料表层流动到坩埚底部，使熔化的金属液包裹底部的Mn和Al，尽量减少熔炼过程中原料挥发，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作6遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金Fe25Ni25Cr15Mn10Al25高熵合金。
对实施例中的Fe25Ni25Cr15Mn10Al25高熵合金试样进行物相分析，其X射线衍射（XRD）谱图如图1所示。由图中可以看出Fe25Ni25Cr15Mn10Al25合金为BCC+B2结构。
对本例中的Fe25Ni25Cr15Mn10Al25高熵合金试样进行显微组织分析，其光学显微镜照片如图4(d)所示，背散射显微组织（BSE）照片如图5（g-h），由图分析可知，Fe25Ni25Cr15Mn10Al25合金组织为等轴晶组织，由交替的亮相和暗相组成。
对本例中的Fe25Ni25Cr15Mn10Al25高熵合金试样进行室温压缩实验，其压缩真应力-应变曲线如图2所示，Fe25Ni25Cr15Mn10Al25合金的屈服强度为1088MPa，抗压强度为1660MPa，断裂应变42%，具有很高的强度，但塑性略有下降。
对本例中的Fe25Ni25Cr15Mn10Al25高熵合金试样进行电化学性能测试，其极化曲线如图2所示，可知Fe25Ni25Cr15Mn10Al25合金的Ecorr=-0.6286V，Icorr=98.05μA/cm2，Ep=-0.291V。研究表明(DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.07.085)，不锈钢SUS304的自腐蚀电位Ecorr=-0.215V，临界点蚀电位Ep=0.613V。对比可得，Fe25Ni25Cr15Mn10Al25合金耐3.5wt.% NaCl腐蚀性能较差，低于不锈钢SUS304，同时抗点蚀能力较差。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）选用Fe、Ni、Cr、Mn、Al五种元素作为原料进行配料，原料组分按原子摩尔百分比如下：Fe：27.5%~30%、Ni：27.5%~30%、Cr：12%-18%、Mn：8%-12%、Al：15~20%；
（2）去除原料金属Fe、Ni、Cr、Mn、Al的表面氧化皮，并清洗、干燥；
（3）将Fe、Al、Mn铺于坩埚底层，将Cr、Ni放置于上层，在抽真空前，Mn再添加占Fe、Ni、Cr、Mn、Al总质量的1-1.5wt.%，抽真空至10-3~10-2 Pa时，充入氩气至0.3×105 Pa-0.5×105 Pa，再进行抽真空10-3~10-2 Pa，再打开分子泵，用分子泵将炉内抽至压力<1×10-3Pa后，再充入氩气至0.3×105 Pa-0.5×105 Pa，将电极对准装有纯Ti的坩埚中间，距离纯Ti 3-5mm，引弧后熔炼1-2min，去除残留氧气，然后将电弧移动到坩埚，设置电流强度为20-30A，迅速加大电流至120-160A，熔炼10-30s，再次加大电流至280-300A，熔炼2.5分钟，熔炼时打开磁搅拌按钮，每熔完一遍后，用机械手进行合金锭翻面重熔，重复这样操作5~7遍，得到所述的高强高韧的无钴高熵合金。
2.根据权利要求1所述的高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，当原料组分按原子摩尔百分比如下：Fe：30%、Ni：30%、Cr：15%、Mn：10%、Al：15%时，所述合金为FCC+BCC+B2结构。
3.根据权利要求1所述的高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，当原料组分按原子摩尔百分比如下：Fe：27.5%、Ni：27.5%、Cr：15%、Mn：10%、Al：20%时，所述合金为BCC+B2结构。
4.根据权利要求1所述的高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，将Fe、Al、Mn依次铺于坩埚底层，将Cr、Ni依次放置于外层，抽真空至6×10-2 Pa时，充入氩气至0.4×105 Pa，再进行抽真空，用分子泵将炉内抽至压力<1×10-3Pa后，再充入氩气至0.5×105Pa。
5.根据权利要求1所述的高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）的熔炼过程中，将电弧移动到高熵合金原料坩埚时，设置电流强度为25A，迅速加大电流至150A，熔炼20s，再加大电流至280A，熔炼2.5分钟。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010520193.9A CN111733358B (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010520193.9A CN111733358B (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111733358A CN111733358A (zh) | 2020-10-02 |
| CN111733358B true CN111733358B (zh) | 2022-02-01 |
Family
ID=72650058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010520193.9A Active CN111733358B (zh) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111733358B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114507801B (zh) * | 2020-11-16 | 2022-11-11 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种低密度且高硬度的高熵合金材料及其制备方法 |
| CN114645177A (zh) * | 2020-12-21 | 2022-06-21 | 武汉苏泊尔炊具有限公司 | 耐腐蚀合金及其制备方法、烹饪器具 |
| CN113151727B (zh) * | 2021-04-16 | 2022-07-08 | 太原理工大学 | 一种非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金及其制备方法 |
| CN114540693B (zh) * | 2022-01-07 | 2022-11-11 | 中南大学 | 一种高强韧耐蚀的富Fe含Si多组分合金及其制备方法和应用 |
| CN114457273B (zh) * | 2022-02-15 | 2022-09-02 | 大连理工大学 | 一种耐腐蚀软磁高熵合金及其制备方法 |
| CN115595515A (zh) * | 2022-10-14 | 2023-01-13 | 长沙理工大学（Cn） | 一种高强韧耐腐蚀高熵钢板材及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109385610A (zh) * | 2017-08-07 | 2019-02-26 | 态金材料科技股份有限公司 | 以高熵液态合金靶材制作的手机镀膜 |
| CN109750209A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-05-14 | 广东工业大学 | 一种超细晶共晶高熵合金及其制备方法 |
-
2020
- 2020-06-09 CN CN202010520193.9A patent/CN111733358B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109385610A (zh) * | 2017-08-07 | 2019-02-26 | 态金材料科技股份有限公司 | 以高熵液态合金靶材制作的手机镀膜 |
| CN109750209A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-05-14 | 广东工业大学 | 一种超细晶共晶高熵合金及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111733358A (zh) | 2020-10-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111733358B (zh) | 一种高强高韧耐腐蚀无钴高熵合金及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Synthesis and characterization of refractory TiZrNbWMo high-entropy alloy coating by laser cladding | |
| Guo et al. | In-situ TiC reinforced CoCrCuFeNiSi0. 2 high-entropy alloy coatings designed for enhanced wear performance by laser cladding | |
| Huang et al. | The role of Nb on the high temperature oxidation behavior of CoCrFeMnNbxNi high-entropy alloys | |
| CN107739956B (zh) | 一种Nb微合金化Ni-Co-Fe-Cr-Al高熵合金 | |
| CN107523740B (zh) | CuCrFeNiTi高熵合金材料及其制备方法 | |
| CN107267841B (zh) | 一种CrMoNbTaV高熵合金及其制备方法 | |
| CN110229991B (zh) | 一种强塑性匹配优良的五元高熵合金及其制备方法 | |
| JP6705508B2 (ja) | ＮｉＣｒＦｅ合金 | |
| CN107142410A (zh) | CrMoNbTiZr高熵合金材料及其制备方法 | |
| CN109266944A (zh) | 一种FeCoCrNiMn高熵合金及其制备方法 | |
| CN108004452A (zh) | 一种CoCrFeNiHfx高熵合金材料及其制备方法 | |
| Li et al. | The effects of melting technologies on the microstructures and properties of Nb–16Si–22Ti–2Al–2Hf–17Cr alloy | |
| Shi et al. | Influence of alloying elements (Cu, Ti, Nb) on the microstructure and corrosion behaviour of AlCrFeNi-based high entropy alloys exposed to oxygen-containing molten Pb | |
| CN109023002B (zh) | 一种硅固溶强化VNbMoTaSi高熵合金及其制备方法 | |
| Liu et al. | Oxidation behaviors and mechanical properties of L12-strengthened high-entropy alloys at 700℃ | |
| Li et al. | Seynergistic effect of Mo and Zr additions on microstructure and mechanical properties of Nb‐Ti‐Si‐based alloys additively manufactured by laser directed energy deposition | |
| Huang et al. | High temperature oxidation behavior and mechanism of Al0. 3CuCrFeNi2 high-entropy alloy with a coherent γ/γ'microstructure | |
| Tian et al. | One-step and selective extraction of nickel from nickel-based superalloy by molten zinc | |
| Kommineni et al. | Influence of Ti and Zr alloying elements on microstructure and micromechanical properties of near-eutectic Nb-18.7 Si alloy | |
| Wu et al. | Effects of Mo and Nb on the microstructure and high temperature oxidation behaviors of CoCrFeNi-based high entropy alloys | |
| Peng et al. | Phase equilibria of Co− Mo− Zn ternary system | |
| Pao et al. | Electrochemical surface modification of Al8Co19Cr23Fe32Ni18 in H2SO4: A high-entropy alloy with high pitting corrosion resistance and high oxidation resistance | |
| CN116694978B (zh) | 低成本耐热不锈中熵合金及其制备方法 | |
| CN112553517A (zh) | 一种耐磨CrMoNiTaHfW高熵合金制备方法与工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231016 Address after: No.18 Ziyang Road, Dianjun District, Yichang City, Hubei Province 443004 Patentee after: YICHANG ZHONGNAN PRECISION STEEL PIPE CO.,LTD. Address before: 443002 No. 8, University Road, Xiling District, Yichang, Hubei Patentee before: CHINA THREE GORGES University |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A high-strength, high toughness, corrosion-resistant cobalt free high entropy alloy and its preparation method Granted publication date: 20220201 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Three Gorges Branch Pledgor: YICHANG ZHONGNAN PRECISION STEEL PIPE CO.,LTD. Registration number: Y2024980001664 |