CN115449688A - 一种FeCoNi系多主元合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FeCoNi系多主元合金及其制备方法,所述合金成分为(FeCoNi)a Tib AlcVd,其中,a、b、c、d为原子百分数,81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6,且a+b+c+d=100。制备方法的步骤是:1、依据原子百分比对Fe,Co,Ni,Ti,Al,V金属原料进行称重,配制出所需的合金组分;2、采用真空电弧熔炼法对:配制的合金组分进行熔炼,制得所述的多主元合金。本发明的合金的屈服强度不低于1887 MPa,压缩强度不低于2822 MPa,断裂应变不低于30.3%,实现了高强度和优异延展性的良好匹配;制备方法简单,耗时短,安全环保,满足工业的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域,具体涉及一种高强高韧性FeCoNi系多主元合金。
背景技术
高强高韧性金属材料的匮乏制约了我国国防、航空、航天、航海、交通、能源等国家重大安全战略和国民经济核心领域的创新发展,这主要源于金属材料的强度和韧性存在固有的倒置关系。传统合金的设计通常基于某些主要的性能要求,选择一种或两种主要元素,进而在合金化过程中添加少量其它元素以提升性能,但是随着人类对材料的物理和力学性能的要求越来越高,传统合金已经很难满足需求,因此亟需寻找新的金属强韧化途径,而多主元合金打破了传统合金单一主元的主导思想,为合金设计开创了新的思路,有望突破合金系列发展的瓶颈。
多主元合金具有传统合金无法达到的独特性能组合,包括高强度和硬度、出色的抗高温软化性、独特的磁性能、卓越的耐腐蚀性和抗氧化性、强抗疲劳性、有吸引力的摩擦学性能、良好的抗蠕变性、在低温下具有出色的辐照耐受性、高热稳定性和出色的机械性能。此外,虽然具有多种主要元素,但多主元合金却能形成单一的固溶体结构,如面心立方(FCC)、体心立方(BCC)、密排六方结构(HCP)等,在力学行为方面可按需进行高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温等优异性能的“定制”,在国际学术界引起了广泛的关注,已经成为新的研究热点。
中国专利文献CN113444957A于2021年9月28日公开了一种CrFeNi基多主元合金及其制备方法,合金成分为TiaZrbNbc(CrFeNi)d其中a、b、c、d为原子百分数,0≤a≤8、0≤b≤8、0≤c≤8、92<d<100且a+b+c+d=100。该合金具有面心立方单相结构或者含有面心立方+体心立方+密排六方多相的结构,该合金的力学性能为:屈服强度150~1300MPa,断裂强度1400~2500MPa,塑性变形量为5~40%。但是它的屈服强度和压缩强度较低,部分材料的塑性变形量不大。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明所要解决的技术问题就是提供一种FeCoNi系多主元合金,它能提高合金材料的强度和良好延展性。本发明还提供一种该FeCoNi系多主元合金的制备方法。
为实现解决上述技术问题,本发明提供的一种FeCoNi系多主元合金,所述合金成分为(FeCoNi)aTibAlcVd,其中,a、b、c、d为原子百分数,81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6,且a+b+c+d=100。在FeCoNi的原子百分数a中,Fe、Co、Ni的原子数均分。
本发明还提供上述FeCoNi系多主元合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、配制原料:依据原子百分比对Fe,Co,Ni,Ti,Al,V金属原料进行称重,配制出所需的合金组分;
步骤2、熔炼:采用真空电弧熔炼法对配制的合金组分进行熔炼,制得所述的多主元合金。
在步骤1中,Fe,Co,Ni,Ti,Al,V金属原料的纯度大于99.9 %。
在步骤2中,熔炼采用真空非自耗电弧熔炼炉,熔炼次数不少于5次。
本发明的优点是:
本发明的合金的屈服强度不低于1887 MPa,压缩强度不低于2822 MPa,断裂应变不低于30.3 %,实现了高强度和优异延展性的良好匹配。
本发明的制备方法简单,耗时短,安全环保,满足工业的应用需求,具有广泛的应用前景。
附图说明
本发明的附图说明如下:
图1为本发明的合金的XRD图谱;
图2为本发明的合金的微观组织结构;
图3为本发明的合金压缩应力应变曲线;
图4为本发明的合金与现有的多主元合金的力学性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
实施例1、各成分的原子百分比为:Fe:28.34 at%,Co:28.33 at%,Ni:28.33 at%,Ti:10 at%,Al:3 at%,V:2 at%。
本实施例制备方法的步骤如下:
1、以铁颗粒(纯度99.9%)、钴颗粒(纯度99.9%)、镍颗粒(纯度99.9%)、钛颗粒(纯度99.9%)、铝颗粒(纯度99.9%)、钒颗粒(纯度99.9%)作为原料,依据上述配比采用电子天平对各主元进行称重,配制出所需的合金组分,合金的总质量为30 g,其中Fe为8.5 g,Co为8.93g,Ni为9.03 g,Ti为2.54 g,Al为0.44 g,V为0.56 g;
2、采用真空非自耗电弧熔炼炉对配制好的合金组分进行熔炼5次制得多主元合金铸锭,相应的电弧熔炼参数如下:熔炼炉电流为50-70 A、熔炼温度3000 ℃以上、熔炼一次的时间为5-20 min、真空度为6.6×10-4 Pa。
性能测试:
采用GB/T 7314-1987测试标准,用电子万能试验机测量材料的压缩强度及断裂应变,对本实施例的多主元合金,测得的压缩应力应变曲线见图3,屈服强度为1887 MPa,压缩强度为2822 MPa,断裂应变为30.5 %。
实施例2、各成分的原子百分比为:Fe:27.67 at%,Co:27.66 at%,Ni:27.66 at%,Ti:10 at%,Al:3 at%,V:4 at%。
与实施例1不同的是:在步骤1中,合金的总质量为30 g,其中Fe为8.43 g,Co为8.75 g,Ni为8.68 g,Ti为2.62 g,Al为0.43 g,V为1.09 g;
性能测试:
对本实施例测得的压缩应力应变曲线见图3,屈服强度为2238 MPa,压缩强度为3147 MPa,断裂应变为30.3 %。
实施例3、各成分的原子百分比为:Fe:27 at%,Co:27 at%,Ni:27 at%,Ti:10 at%,Al:3 at%,V:6 at%。
与实施例1不同的是:在步骤1中,合金的总质量为30 g,其中Fe为8.18 g,Co为8.53 g,Ni为8.56 g,Ti为2.62 g,Al为0.45 g,V为1.66 g;
性能测试:
对本实施例测得的压缩应力应变曲线见图3,屈服强度为2456 MPa,压缩强度为3583 MPa,断裂应变为36.1 %。
X射线衍射(XRD)分析:采用型号为X'Pert PRO MPD的X射线衍射仪对三种制备方法所得的合金的物相组成进行表征,相关测试参数如下:扫描速率为2°/min,扫描角度为10-90°。由图1可知,合金物相组成为FCC和L12两相结构, FCC相为主要相,L12相的含量较少。此外,FCC相主要固溶元素为Fe、Co和Ni,L12相主要固溶元素为Ni,Ti和Co。随着V的含量从2 at.%逐渐增加到6 at.%,L12相的相对含量逐渐增加。
扫描电子显微镜(SEM)分析:采用型号为捷克TESCAN MIRA LMS的扫描电子显微镜观察三种制备方法所得的合金微观组织结构,如图2所示。在熔炼的合金中观察到两种不同颜色的显微组织,即黑色颗粒状及条状的L12相和白色片状的FCC相。L12相以不同的形态分布在FCC基体相上,尺寸主要为微米级,也有纳米级颗粒分散其中。随着V含量从2 at.%逐渐增加到6 at.%,L12相的相对含量逐渐增加。
图4为本发明的FeCoNi系多主元合金与现有多主元合金的力学性能对比图,图4中的现有多主元合金材料及测试数据见下列文献:
1、Yong Dong, Kaiyao Zhou, Yiping Lu, et al. Effect of vanadiumaddition on the microstructure and properties of AlCoCrFeNi high entropyalloy [J]. Materials and Design. 2014.57:67–72. (Yong Dong, Kaiyao Zhou,Yiping Lu等人. 钒添加对AlCoCrFeNi高熵合金组织和性能的影响[J]. 材料与设计.2014.57:67–72.)
2、Gang Qin, Shu Wang, Ruirun Chen, et al. Improvement ofMicrostructure and Mechanical Properties of CoCrCuFeNi High-Entropy Alloys ByV Addition[J]. Journal Of Materials Engineering And Performance. 2019.28 :1049–1056. (Gang Qin, Shu Wang, Ruirun Chen等人. V加法改善CoCrCuFeNi高熵合金的微观组织和力学性能[J]. 材料工程与性能学报. 2019.28 :1049–1056.)
3、Dexi Hao, Nannan Zhang, Yue Zhang, et al. Effect of vanadiumaddition on microstructure and properties of Al0.5Cr0.9FeNi2.5 multi-principal alloys[J]. journal of iron and steel research international.2021.28 :586–596. ( Dexi Hao, Nannan Zhang, Yue Zhang等人. 钒添加对Al0.5Cr0.9FeNi2.5多主合金组织和性能的影响[J]. 国际钢铁研究. 2021.28 :586–596.)
4、Rong Guo, Jie Pan, Lin Liu. Achieving dual-phase structure andimproved mechanical properties in AlCoCrFeTi0.5 high-entropy alloys byaddition of Ni [J]. Materials Science & Engineering A. 2022 .831. ( Rong Guo,Jie Pan, Lin Liu. 在AlCoCrFeTi中实现双相结构和改进的机械性能0.5通过添加Ni的高熵合金[J]. 材料科学与工程:A. 2022 .831.)
5、Xianzhe Zhong, Qingming Zhang, Jing Xie, et al. Mechanicalproperties and microstructure of the Al0.3CoCrFeNiTi0.3 high entropy alloyunder dynamic compression [J]. Materials Science & Engineering A. 2021.812.( Xianzhe Zhong, Qingming Zhang, Jing Xie等人. 铝的机械性能和微观结构0.3CoCrFeNiTi0.3动态压缩下的高熵合金[J]. 材料科学与工程:A. 2021.812.)
6、Rui Feng, Chuan Zhang, Michael C Gao, et al. High-throughput designof high-performance lightweight high-entropy alloys [J]. Naturecommunications. 2021. 12. ( Rui Feng, Chuan Zhang, Michael C Gao等人. 高性能轻质高熵合金的高通量设计[J]. 自然通讯. 2021. 12.)
从图4看出:本发明的多主元合金具有高强度和良好的延展性。且本发明的制备工艺简单、耗时短、环保,具有巨大的潜在经济效益,本发明的多主元合金在航空航天、武器装备等领域的应用具有重要意义。
Claims (5)
1.一种FeCoNi系多主元合金,其特征是:所述合金成分为(FeCoNi)aTibAlcVd,其中,a、b、c、d为原子百分数,81≤a≤85、b=10、c=3、2≤d≤6,且a+b+c+d=100。
2.根据权利要求1所述的FeCoNi系多主元合金,其特征是:a=81、b=10、c=3、d=6。
3.一种权利要求1所述FeCoNi系多主元合金的制备方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1、配制原料:依据原子百分比对Fe,Co,Ni,Ti,Al,V金属原料进行称重,配制出所需的合金组分;
步骤2、熔炼:采用真空电弧熔炼法对:配制的合金组分进行熔炼,制得所述的多主元合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征是:在步骤1中,Fe,Co,Ni,Ti,Al,V金属原料的纯度大于99.9 %。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征是:在步骤2中,熔炼采用真空非自耗电弧熔炼炉,熔炼次数不少于5次,熔炼温度3000 ℃以上、熔炼一次的时间为5-20 min、真空度为6.6×10-4 Pa。
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