CN114836668B - 一种CoCrFeMnNiAl高熵合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种CoCrFeMnNiAl高熵合金及制备方法，按原子百分比计，其组分为：Co 27~29，Cr 17~18，Fe 15~19，Mn 4~1，Ni 23~29，Al 7~10。方法的步骤为：步骤（1）按预设比例称取反应物料，将反应物料置于行星球磨机中球磨；步骤（2）把球磨好的反应物料在压力机上压成饼状坯；步骤（3）将饼状坯放入反应釜中，把引燃剂置于坯体上，充入保护气体洗气后，再充入保护气体保压，继续升温至体系发生自蔓延反应，得到母材合金；步骤（4）将母材合金进行真空感应二次熔炼，得到铸锭；步骤（5）将铸锭在1200℃热轧50%变形量后，在1150℃进行30min固溶处理，水冷。

Description

一种CoCrFeMnNiAl高熵合金及制备方法
技术领域
本发明涉及CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备技术。
背景技术
熔盐光热发电（Concentrated solar power，CSP）技术不但可以有效地提供电力，而且可以在全球范围内大幅减少CO2排放，作为化石燃料最具竞争力的替代品之一，它受到越来越多的关注。氯化物熔盐以低成本、低熔点、沸点高、传热性能好等优点，已经被提议作为下一代CSP发电站中传热流体（Heat transfer fluids，HTF）和热能储存（Thermalenergy storage，TES）的候选介质材料。然而，氯化物熔盐对储热、传热***管材有极强的腐蚀性，现有结构材料（即铁基和镍基合金）在高温下耐氯化物熔盐腐蚀性差。因此，开发在高温氯化物熔盐腐蚀环境下服役的新型合金意义重大。
相对于传统合金，高熵合金具有更加优异的高强度、高塑性、高的耐腐蚀性以及高的耐磨性等性能。相关研究指出，Al元素能很好的提高合金的抗高温熔盐腐蚀性能，主要是由于其形成的氧化铝薄膜有很好的致密性，在高温氯化物熔盐中不易脱落，而Cr元素在氯化物熔盐中优先溶解会降低抗腐蚀性。
目前制备块体高熵合金都采用真空电弧炉熔炼法，真空电弧炉熔炼法有制备工艺复杂，耗能较大的缺点，要反复熔炼几次才能使高熵合金成分均匀且得到的块体材料较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备方法。
本发明是一种CoCrFeMnNiAl高熵合金及制备方法，CoCrFeMnNiAl高熵合金，按原子百分比计，组分为：Co 27~29，Cr 17~18，Fe 15~19，Mn 4~1，Ni 23~29，Al 7~10。
上述CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备方法，其步骤为：
步骤（1）按预设比例称取反应物料，将反应物料置于行星球磨机中球磨；
步骤（2）把球磨好的反应物料在压力机上压成直径为80 mm、高度约50 mm饼状坯；
步骤（3）将饼状坯放入反应釜中，把引燃剂置于坯体上，充入保护气体洗气后，再充入保护气体保压，继续升温至体系发生自蔓延反应，得到母材合金；
步骤（4）将母材合金进行真空感应二次熔炼，得到铸锭；
步骤（5）将铸锭在1200 ℃热轧50 %变形量后，在1150 ℃进行30min固溶处理，水冷。
本发明的有益效果：本发明工艺流程简单，简化了生产设备，操作简单；与目前使用的真空电弧炉熔炼法制备高熵合金工艺相比，工艺简单，能耗小且具备商业生产规模；本发明在等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金的基础上通过加入稀释剂降低了绝热温度，同时调控了Al含量。
附图说明
图1为实施例1、2、3的XRD图谱；图2为实施例4、5、6的XRD图谱；图3、图4、图5、图6、图7、图8分别为实施例1、2、3、4、5、6的金相组织图；图9、图10、图11、图12、图13、图14分别为实施例1、2、3、4、5、6的SEM组织形貌图。
具体实施方式
本发明是一种CoCrFeMnNiAl高熵合金及制备方法，CoCrFeMnNiAl高熵合金，按原子百分比计，组分为：Co 27~29，Cr 17~18，Fe 15~19，Mn 4~1，Ni 23~29，Al 7~10。
本发明的CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备方法，其步骤为：
步骤（1）按预设比例称取反应物料，将反应物料置于行星球磨机中球磨；
步骤（2）把球磨好的反应物料在压力机上压成直径为80 mm、高度约50 mm饼状坯；
步骤（3）将饼状坯放入反应釜中，把引燃剂置于坯体上，充入保护气体洗气后，再充入保护气体保压，继续升温至体系发生自蔓延反应，得到母材合金；
步骤（4）将母材合金进行真空感应二次熔炼，得到铸锭；
步骤（5）将铸锭在1200 ℃热轧50 %变形量后，在1150 ℃进行30min固溶处理，水冷。
以上所述的制备方法，步骤（1）所述球磨参数：时长8 h，选用氧化铝球磨珠，球料比为2:1，转速为80 r/min；压力机加压70 MPa。
以上所述的制备方法，步骤（2）所述反应物料中，采用的反应物原料为Co2O3、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、NiO（或Ni）和Al粉末。
以上所述的制备方法，步骤（3）所述预热温度280~340 ℃，保护气氛为氩气，气压压力为4~6 Mpa。
以上所述的制备方法，步骤（4）所述预热时长60 min，真空度10-2 Pa，保持10 min合金化。
以上所述的制备方法，步骤（5）所述热轧以10 ℃/min的速度升温至1200 ℃并保温30 min，每道次压下量0.3 mm，每道次回炉保温5 min。固溶处理以10 ℃/min加热速度升温至1150 ℃保温30 min水淬。
本发明根据等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金设计，通过加入稀释剂改变绝热温度来改变Al含量，先通过铝热法制备母材合金后用真空中频感应熔炼进行二次熔炼，消除铝热法制备的内部缺陷，得到了质量合格的块体合金材料。在提高耐高温腐蚀性能、高温抗蠕变性能的同时降低成本。制备过程简单、环境友好、成本低，适合大规模生产。
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例：
实施例1：
铝热法制备初始铸坯，其制备步骤为：
表1 实施例1CoCrFeMnNiAl高熵合金反应物料配比(wt.%)
（1）配料：根据表1所示的反应物料配比称取好1kg反应原料，每种原料平均分成四份混合均匀；
（2）球磨：把混合均匀的反应物料放入QM-ISP4行星式球磨机球磨，转速为80 r/min，球磨时间8 h，注意的是每隔2 h改变球磨机转向防止结块，球磨珠材质为Al2O3，球料比1：2；
（3）铝热法制备：球磨结束后将反应物料放入模具中，用油压压力机施加70 MPa的压力，保压4 min后物料被压制成直径大约为80 mm厚度为50 mm左右的的圆饼状坯体。把压好的胚体放在铜坩埚中，胚体上方放2 g引燃剂薄片，将铜坩埚放入密闭的反应釜中洗气后，通入5 MPa氩气作为保护气体，通电加热后，当釜内温度升到280多度时引燃剂点燃，引发铝热反应，此时釜内压力和温度快速升高，反应开始后，关闭加热开关。等生成的产物在氩气气氛保护下随炉冷却至室温，打开反应釜，取出产物，合金上面被一层Al2O3层包裹，把包裹层敲碎后，得到块体合金。
真空中频感应熔炼二次熔炼，其制备步骤为：
（1）母材准备：将铝热法制备的CoCrFeMnNiAl高熵合金用线切割加工成宽度为10mm的长条并打磨掉表面的污渍，预防杂质引入；
（2）真空中频感应熔炼：在熔炼过程中先将中频感应炉扩散泵预热40~50 min后，把块体合金放入容积为3 kg的镁铝尖晶石坩埚中，并将刷了脱模剂提前预热到300度的金属梯形模具放入熔炼炉内，打开真空***，确保真空度为10-2 Pa后打开熔炼***，将加热功率以5 kw的梯度由0 kw开始依次调节，每次调节过后保持5 min确保加热均匀，当通过观察口观察到块体合金完全熔为液体后，再将加热功率调小至5 kw保温10 min确保成分均匀，随后翻转坩埚，将金属液倒入模具，等冷却后取出。
对其进行室温力学性能测试。硬度测试采用WILSON-VH1102型全自动显微硬度测试***，载荷300 g，加载时间12 s，每个试样测量10个点取平均值，用维氏硬度HV0.3表示。拉伸测试在岛津AGS-X 300 kN电子万能试验机上进行，拉伸速率为0.5 mm/min，采用位移加载方式，每个成分试样进行3组平行实验。结果显示其硬度169.8 HV0.3，抗拉强度470.98MPa，延伸率44.07 %。
实施例2：
本例的反应物料如表2所示，其制备步骤同例1，室温力学性能测试结果：硬度210.2 HV0.3，抗拉强度522.39 MPa，延伸率40.03 %。
表2 实施例2CoCrFeMnNiAl高熵合金反应物料配比(wt.%)
实施例3：
本例的反应物料如表3所示，其制备步骤同例1，室温力学性能测试结果：硬度188.4 HV0.3，抗拉强度525.05 MPa，延伸率48.86 %。
表3 实施例3CoCrFeMnNiAl高熵合金反应物料配比(wt.%)
实施例4：
将实施例1得到的CoCrFeMnNiAl高熵合金铸锭进行热轧，热轧步骤为：
从实施例1高熵合金铸锭上用线切割切下厚度为5 mm的板材，用箱式炉以10 ℃/min的升温速度从室温加热到1200 ℃并保温30 min，用二辊冷热轧机进行热轧，压下量为每道次为0.3 mm，为防止轧制温度降低每轧制一道次放入箱式炉中保温2 min，轧制变形量为50 %，得到厚度为2.5 mm的热轧板材，再将在室温下冷却后的热轧板放入箱式炉中以同样的升温速率加热到1150 ℃并保温30 min，做固溶处理，取出后水冷。
对其进行与实施例1相同的室温力学性能测试和800 ℃高温拉伸性能测试。800℃高温拉伸在AGS-X 300kN电子万能试验机上进行，拉伸速率为0.2 mm/min，采用位移加载方式，每个成分进行3组平行实验。其测试数据如表4所示：
表4 实施例4CoCrFeMnNiAl高熵合金热轧态力学性能
实施例5：
将实施例2得到的CoCrFeMnNiAl高熵合金进行热轧处理，其制备步骤同实施例4，其力学性能数据如表5所示。
表5 实施例5 CoCrFeMnNiAl高熵合金热轧态力学性能
实施例6：
将实施例3得到的CoCrFeMnNiAl高熵合金进行热轧处理，其制备步骤同实施例4，其力学性能数据如表6所示。
表6 实施例6 CoCrFeMnNiAl高熵合金热轧态力学性能
数据显示，本发明实现了不同Al含量CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种CoCrFeMnNiAl高熵合金的制备方法，CoCrFeMnNiAl高熵合金，按原子百分比计，其组分为：Co 27～29，Cr 17～18，Fe 15～19，Mn 4～1，Ni 23～29，Al 7～10；
其特征在于，其步骤为：
步骤(1)按预设比例称取反应物料，将反应物料置于行星球磨机中球磨；
步骤(2)把球磨好的反应物料在压力机上压成直径为80mm、高度50mm饼状坯；
步骤(3)将饼状坯放入反应釜中，把引燃剂置于坯体上，充入保护气体洗气后，再充入保护气体保压，继续升温至体系发生自蔓延反应，得到母材合金；
步骤(4)将母材合金进行真空感应二次熔炼，得到铸锭；
步骤(5)将铸锭在1200℃热轧50％变形量后，在1150℃进行30min固溶处理，水冷；
步骤(1)所述球磨参数：时长8h，选用氧化铝球磨珠，球料比为2:1，转速为80r/min；压力机加压70MPa；
步骤(2)所述反应物料中，采用的反应物原料为Co2O3、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、NiO和Al粉末；
步骤(3)预热温度280～340℃，保护气氛为氩气，气压压力为4～6MPa；步骤(4)预热时长60min，真空度10-2Pa，保持10min合金化；
步骤(5)所述热轧以10℃/min的速度升温至1200℃并保温30min，每道次压下量0.3mm，每道次回炉保温5min；固溶处理以10℃/min加热速度升温至1150℃保温30min水淬。
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