CN116254448A

CN116254448A - 基于b2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金及其制备方法

Info

Publication number: CN116254448A
Application number: CN202310112395.3A
Authority: CN
Inventors: 赖敏杰; 支辉辉; 雒毅华; 李金山
Original assignee: Northwestern Polytechnical University; Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2043-02-14
Also published as: CN116254448B

Abstract

本发明公开了一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金及其制备方法，该高熵合金的组成元素及原子百分比为：19%~21%Mn，9%~11%Ni，5%~7%Si，5%~7%Al，0%~4%C，余量为Fe及不可避免的杂质元素，所述合金的制备方法如下，采用纯度不低于99.9%的纯Fe、纯Mn、纯Ni、纯Al、纯Si、纯C为原料，通过真空感应熔炼获得铸锭，将铸锭在氩气保护下进行均匀化处理，切割成板材经多道次冷轧，将冷轧后薄板在氩气保护下进行950℃保温1 h以上的固溶处理，然后水冷淬火。本申请提供的高熵合金制备成本低，具有高强度、高塑性、低密度等优点，在航天航空、先进核能、生物工程、先进装备制造及国防工业等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高熵合金技术领域，尤其涉及一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金是近些年金属材料领域的研究热点。与处在相图角落区域的传统合金相比，处于相图中央区域的高熵合金有更多的元素组合可能，因此可供开发的成分空间非常大。由于具有高的混合熵，高熵合金通常具有较高的热力学稳定性，并呈现出良好的综合力学性能，在高温发动机、超导装置、低温装置等方面有广泛的应用前景。目前，具有面心立方(FCC)结构的单相高熵合金获得了最多的关注。这类合金往往具有优异的塑性和韧性，但是其屈服强度通常较低。为了提高FCC单相高熵合金的强度，通过调控合金成分以引入析出相是一种重要手段。例如在等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金中添加Al元素，能够产生富Al、Ni的B2、L1₂和L2₁沉淀析出相，从而导致显著的沉淀强化作用，又由于该合金的FCC基体具有良好的塑性，因此能实现高强度与高塑性的匹配。相关研究也表明，在高熵合金中添加C、N等间隙元素也能够产生显著的强化效果，并且某些特定元素的添加还会导致其内部形成不同程度的化学有序相，如化学短程有序相、化学长程有序相等。这类有序相的尺寸通常为纳米级，在变形过程中会对位错的运动产生阻碍作用，从而提高材料的强度。另外，在高熵合金中也可引入类似于孪生诱导塑性(TWIP)钢中的TWIP效应，通过形变孪晶及形变孪晶与晶界、析出相的相互作用来同时提高其强度与塑性。例如，近些年围绕Fe-Mn-Al-Si体系的相关研究表明，Si元素的添加不但具有显著的固溶强化作用，而且能降低基体的层错能，从而促进TWIP效应，因此可以通过Si的添加在高熵合金中引入TWIP效应。以上强化措施的同时引入可实现更高的力学性能，但在目前国内外研究中，很少报道同时具有三种及三种以上强化机制的高熵合金，该方面的研究值得进一步探索。

在实际工程应用中仅满足力学性能要求是不够的，还需要综合考虑材料成本、制备工艺、密度等因素。传统高熵合金主要由Co、Cr、Ni等贵重金属元素组成，普遍存在密度大(>8g/cm³)、成本高等缺点。因此，开发出既具有高强度和高塑性又具有低成本和低密度的高熵合金是目前亟待解决的问题。这类合金在能源、交通、装备制造等领域都将有广泛的应用前景。

发明内容

本发明主要针对缺乏满足应用需求的轻质高性能高熵合金问题，通过合理的组元设计，提供了一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，基于Ni、Al、Si、C元素含量的比例，开发了一种同时具有沉淀强化、化学有序强化和孪生诱导塑性效应的低成本、低密度(7.41g/cm³)高熵合金，解决了目前发展低成本、低密度、高强度、高塑性高熵合金的技术难题。

具体的，本发明第一部分提供一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金，所述高熵合金的组成元素及原子百分比为：19％～21％Mn，9％～11％Ni，5％～7％Si，5％～7％Al，0％～4％C，余量为Fe及不可避免的杂质元素。所述高熵合金由奥氏体相、B2相及纳米有序相组成。

其中，Ni和Al的原子百分数之比为1.3～1.8，以保证该高熵合金在固溶淬火后形成体心立方结构的B2析出相；所述高熵合金中Al和C的原子百分数之比为1.3～2.0，以保证该高熵合金在固溶淬火后形成化学有序相；所述高熵合金中Al和Si的原子百分数之比为0.9～1.5，以保证该高熵合金具有中低层错能及在塑性变形阶段产生形变孪晶。

本发明第二部分提供一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，包括：

采用纯度不低于99.9％的纯Fe、纯Mn、纯Ni、纯Al、纯Si、纯C为原料，将原料按照上述的高熵合金的原子百分比进行配料，然后将配置好的原料通过真空感应熔炼获得铸锭；

将所述铸锭在氩气保护下进行均匀化处理；切割成板材经多道次冷轧，将冷轧后薄板进行固溶处理，然后水冷淬火。

作为本发明的进一步说明，所述真空感应熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行，重复进行3～5次，并采用氩气作为保护气氛。

作为本发明的进一步说明，所述氩气压力为0.8×105Pa，电压为380V，感应电流的频率为2500Hz。

作为本发明的进一步说明，所述均匀化处理是在氩气保护下1100℃保温6h以上后水冷淬火。

作为本发明的进一步说明，所述冷轧处理是将均匀化处理后的板材在双辊板带轧机经多道次冷轧，每道次变形量不高于5％，总变形量约为70％。

作为本发明的进一步说明，所述固溶处理是将所述冷轧后薄板在氩气保护下950℃保温1h以上后水冷淬火。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中制备的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金，具有低密度(7.41g/cm³)、低成本、易于制备和加工的优点，同时较低层错能、弥散分布的纳米有序相和B2沉淀相使合金具有高强度和高塑性，在最优成分配比和最佳固溶处理下，屈服强度为554MPa，抗拉强度1019MPa，均匀延伸率49％，断后延伸率56％。本申请中的高熵合金具有低成本、低密度、高强度和高塑性的优点，能够促进高熵合金的工业化生产及应用。

附图说明

图1为本发明实施例1～2中制备得到的高熵合金的电子背散射衍射(EBSD)图及透射电镜(TEM)图；

图2为本发明实施例1～2中制备得到的高熵合金的纳米有序相TEM图；

图3为本发明实施例1～2中制备得到的高熵合金的室温拉伸工程应力-应变曲线及断口附近微观组织扫描电镜(SEM)图。

具体实施方式

为了使本申请实施例的技术方案、优点更为清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处附图中示出的本申请实施例的合金组织和性能可以以各种不同的成分配置来调控和设计，因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅表示本申请的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合具体实施例对本申请的技术方案加以解释。

实施例1

本实施例的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金主要组成元素及原子百分数为：58.3％Fe，19.5％Mn，9.8％Ni，6.0％Al，6.4％Si。

该合金的制备方法包括以下步骤：

S1、以纯度不低于99.9％的纯Fe、纯Mn、纯Ni、纯Al、纯Si为原料，按照上述的高熵合金的原子百分数进行配料，然后将配置好的原料通过真空感应熔炼获得铸锭，氩气压力为0.8×10⁵Pa，电压为380V，感应电流的频率为2500Hz；

S2、翻转上一步熔炼所得的铸锭，并采用同样的参数进行再次熔炼，如此反复熔炼3～5次，以提高最终所得成品铸锭的成分均匀性；

S3、将成品铸锭在氩气保护下进行1100℃保温6h以上的均匀化退火处理，然后水冷淬火。

S4、从铸锭上切割板材在双辊板带轧机经多道次冷轧，每道次变形量不高于5％，总变形量约为70％。

S5、将冷轧薄板在氩气保护下进行950℃保温1h以上的固溶处理，然后水冷淬火。

采用EBSD和TEM表征了本实施例中所制备合金的初始组织，结果如附图1所示。从图a中可以看出，本实施例制备的合金为部分再结晶，图b显示在晶界处存在大量B2相析出，FCC平均晶粒尺寸2.82μm。图c证明晶内存在均匀分布的B2相，平均尺寸267nm。

采用TEM表征了本实施例中所制备合金的纳米有序相，结果如附图2所示。在FCC

晶带轴所得到的衍射花样中存在的

位置处的超晶格点，中心暗场像观察到了亮白色的纳米有序相，平均尺寸1.17nm，体积分数7.85％。

根据GB/T228.1–2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对本实施例中所制备高熵合金的力学性能进行测量，结果如附图3所示，其屈服强度450MPa，抗拉强度809MPa，均匀延伸率40％，断后延伸率46％。插图为断口附近的形变孪晶，证明本实施例中所制备合金具有TWIP效应。

实施例2

本实施例的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金主要组成元素及原子百分数为：55.7％Fe，19.4％Mn，9.8％Ni，5.7％Al，5.5％Si，3.9％C。

该合金的制备方法包括以下步骤：

S1、以纯度不低于99.9％的纯Fe、纯Mn、纯Ni、纯Al、纯Si、纯C为原料，按照上述的高熵合金的原子百分数进行配料，然后将配置好的原料通过真空感应熔炼获得铸锭，氩气压力为0.8×10⁵Pa，电压为380V，感应电流的频率为2500Hz；

采用EBSD和TEM表征了本实施例中所制备合金的初始组织，结果如附图1所示。从图d中可以看出，本实施例制备的合金为部分再结晶，图e显示在晶界处存在大量B2相析出，FCC晶粒尺寸4.47μm。图f证明晶内存在均匀分布的B2相，平均尺寸230nm。

采用TEM表征了本实施例中所制备合金的纳米有序相，结果如附图2所示。在FCC[001]晶带轴所得到的衍射花样中存在

位置处的超晶格点，中心暗场像观察到了亮白色的纳米有序相，平均尺寸1.03nm，体积分数8.6％。

根据GB/T228.1–2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对本实施例中所制备高熵合金的力学性能进行测量，结果如附图3所示，其屈服强度554MPa，抗拉强度1019MPa，均匀延伸率49％，断后延伸率55％。插图为断口附近的形变孪晶，证明本实施例中所制备合金具有TWIP效应。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金，其特征在于，所述高熵合金的组成元素及原子百分比为：19%~21%Mn，9%~11%Ni，5%~7%Si，5%~7%Al，0%~4%C，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金，其特征在于，所述高熵合金由奥氏体相、B2相及纳米有序相组成。

3.根据权利要求1所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金，其特征在于，所述高熵合金中Ni和Al的原子百分数之比为1.3~1.8；所述高熵合金中Al和C的原子百分数之比为1.3~2.0；所述高熵合金中Al和Si的原子百分数之比为0.9~1.5。

4.一种基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，包括：

采用纯度不低于99.9%的纯Fe、纯Mn、纯Ni、纯Al、纯Si、纯C为原料，将原料按照权利要求1~3中任一项所述的高熵合金的原子百分比进行配料，然后将配置好的原料通过真空感应熔炼获得铸锭；

5.根据权利要求4所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，所述真空感应熔炼在真空中频感应熔炼炉中进行，重复进行3~5次，并采用氩气作为保护气氛。

6. 根据权利要求4所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，所述氩气压力为0.8×10⁵ Pa，电压为380 V，感应电流的频率为2500 Hz。

7. 根据权利要求4所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理是在氩气保护下1100 ℃保温6 h以上后水冷淬火。

8.根据权利要求4所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，所述冷轧处理是将均匀化处理后的板材在双辊板带轧机经多道次冷轧，每道次变形量不高于5%，总变形量为70%。

9. 根据权利要求4所述的基于B2相及纳米有序相双析出强化的孪生诱导塑性高熵合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理是将所述冷轧后薄板在氩气保护下950 ℃保温1h以上后水冷淬火。