一种高熵合金材料及其制备方法与流程

1.本发明属于金属复合材料及冶金技术领域，具体涉及一种高熵合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.不同于传统合金由一种主要元素和多种微量元素组成，高熵合金则是由多种元素(通常4种以上)以等比或近等比混合而成的固溶体。在热力学高熵作用下，性质各异的原子在固溶体中占位无序，会造成严重的晶格畸变；特殊的晶体结构使高熵合金具有了高强度、强耐蚀、高耐磨等优异特性。
3.目前，传统的难熔高熵合金的制备以真空电弧熔炼法为主，且需要反复熔炼4-5次。然而，大多数高熵合金的组元熔点相差巨大；例如：v的熔点为1890℃，而w的熔点达到3620℃，不但相差1530℃，更是高于v的沸点(3000℃)。因此，难熔高熵合金的熔炼制备过程中，极易造成低熔沸物质的挥发，进而导致成型合金的成分组成偏离最初设定。同时，巨大的熔点差异使得难熔金属两两混合时往往会形成很宽的液固两相温度区，进而造成显著的凝固时间差并形成大量缩孔、枝晶等铸造缺陷，影响了难熔高熵合金的性能和大尺寸成型。因此，现有铸造成型的难熔高熵合金的最大尺寸仅为10mm
×
10mm
×
60mm，远远不能满足实际应用，甚至难以满足国标拉伸性能的测试样品尺寸要求。
4.粉末冶金是将具有某种特定粒度、形状和松装密度的粉末材料转变为具有高强度、高精度和高性能的材料的技术，其关键步骤包括粉末的制备、成形以及随后的烧结和热处理。由于粉末冶金技术具有能耗低、材料利用率高、成本低、形状独特性、高产品性能等优点，目前已广泛用于各种金属材料的科学研究和工业生产。采用粉末冶金工艺制备的合金具有无成分偏析、晶粒细小、碳化物细小、热处理变形小、硬度均匀、韧性和耐磨性良好等诸多优点。
5.本发明利用粉末冶金技术，将高熵合金粉末通过粉末热轧成型，可生产性能优异、且具有较大规格尺寸的高熵合金材料。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高熵合金材料及其制备方法，制备的高熵合金具有成分均匀、高强度、高硬度、良好的韧性和耐腐性能，且制备工艺简单，生产效率高。
7.为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
8.一种高熵合金材料，以摩尔百分比计，其化学成分由以下元素组成：fe 19％-21％、mn 15％-17％、cu 15％-17％、cr 15％-17％、v 15％-17％、ti 15％-17％、b0.1％-0.3％和不可避免的杂质。
9.优先地，以摩尔百分比计，其化学成分由以下元素组成：fe 20％、mn 16％、cu 16％、cr 16％、v 15.9％、ti 15.9％、b0.2％和不可避免的杂质。
10.一种高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤一，电炉冶炼：按上述摩尔百分比，把纯铜、纯锰、纯铁、纯钛、纯铬、和纯钒依次加入冶炼炉中，通入氩气保护开始熔炼，待炉内金属全部熔化后电磁搅拌20min，再加入硼铁合金粉搅拌均匀得到合金液，熔炼加热温度控制在1650℃-1850℃；
12.步骤二，雾化制粉：将熔炼的合金液由炉内出钢时直接进行雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力为3mpa-6mpa，制得高熵合金粉末；
13.步骤三，粉末包套及封装：将高熵合金粉末进行机械搅拌均匀后，装入包套模具中静压预成型，抽真空至包套内真空度10-1
pa以上，然后用电子束焊机将包套端盖焊接密封；
14.步骤四，粉末热轧成型：将包套置于加热炉中加热至900-1000℃，保温1-3h后出炉热轧，得到高熵合金材料。
15.进一步地，在步骤一中，各金属组分的原料纯度不小于99.9％。
16.进一步地，在步骤一中，硼铁合金粉的粒度≥200目，合金的硼含量大于20％。
17.进一步地，在步骤一中，合金熔炼2-3遍，合金第一次熔炼完浇铸成锭后，再将合金锭熔化。
18.进一步地，在步骤二中，雾化制粉制得的粉末要求：粉体球形率90％以上、粉体氧含量＜200ppm，100μm以下的雾化粉末质量百分比含量达到90％以上。
19.进一步地，在步骤三中，包套选用低碳钢板或纯铁板，包套板厚度2-5mm。
20.进一步地，在步骤四中，热轧每道采用次压下量控制在10％-20％，总变形量≥75％。
21.本发明的有益效果是：(1)本发明制备的高熵合金具有成分均匀、高强度、高硬度、良好的韧性和耐腐性能，且制备工艺简单，生产效率高；
22.(2)本发明采用硼铁合金粉加入合金材料中，其中硼元素可与cr、v、ti等元素形成细小的硬质化合物，进一步提高材料的耐磨性能；
23.(3)本发明采用粉末冶金工艺制备高熵合金，在减少熔炼次数的同时使得高熵合金的组织和成分更加均匀，材料组织较普通铸造工艺生产的高熵合金更加致密、晶粒更细小，材料的综合性能显著优于普通铸造工艺生产的高熵合金；
24.(4)本发明采用热轧成型工艺可实现粉末高熵合金的高效大批量生产，可生产更大规格的产品。
附图说明
25.图1为高熵合金材料的金相照片。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
27.实施例1：
28.一种高熵合金材料，以摩尔百分比计，其化学成分由以下元素组成：fe 20％、mn16％、cu 16％、cr 16％、v 15.9％、ti 15.9％、b0.2％和不可避免的杂质。
29.一种高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
30.步骤一，电炉冶炼：按上述摩尔百分比，把纯铜、纯锰、纯铁、纯钛、纯铬、和纯钒依次加入冶炼炉中，通入氩气保护开始熔炼，合金熔炼2遍，合金第一次熔炼完浇铸成锭后，再将合金锭熔化，待炉内金属全部熔化后电磁搅拌20min，再加入硼铁合金粉搅拌均匀得到合金液，硼铁合金粉的粒度≥200目，合金的硼含量大于20％，熔炼加热温度控制在1650℃℃，各金属组分的原料纯度不小于99.9％；
31.步骤二，雾化制粉：将熔炼的合金液搅拌均匀并静置10min，由炉内出钢时直接进行雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力为3.8mpa，制得高熵合金粉末，其粉末要求：粉体球形率90％以上、粉体氧含量＜200ppm，100μm以下的雾化粉末质量百分比含量达到90％以上；
32.步骤三，粉末包套及封装：将高熵合金粉末进行机械搅拌均匀后，装入包套模具中静压预成型，抽真空至包套内真空度10-1
pa以上，然后用电子束焊机将包套端盖焊接密封，所述包套用4mm厚低碳钢板或纯铁板焊接，包套内表面需机械打磨去除氧化皮及杂质，将5个面焊接好，预留上端面开口用于填装高熵合金粉末，在高熵合金粉末填装满后盖上端盖板，放入压力设备下延端盖板向粉体施压，单位压力35mpa，压制30min，将粉末压紧；
33.步骤四，粉末热轧成型：将包套置于加热炉中加热至900℃，保温3h后出炉热轧，热轧每道采用次压下量控制在15％，总变形量90％，得到高熵合金材料。
34.实施例2：
35.一种高熵合金材料，以摩尔百分比计，其化学成分由以下元素组成：fe 19％、mn17％、cu 15％、cr 17％、v 15％、ti 16.7％、b0.3％和不可避免的杂质。
36.一种高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤一，电炉冶炼：按上述摩尔百分比，把纯铜、纯锰、纯铁、纯钛、纯铬、和纯钒依次加入冶炼炉中，通入氩气保护开始熔炼，合金熔炼3遍，合金第一次熔炼完浇铸成锭后，再将合金锭熔化，待炉内金属全部熔化后电磁搅拌20min，再加入硼铁合金粉搅拌均匀得到合金液，硼铁合金粉的粒度≥200目，合金的硼含量大于20％，熔炼加热温度控制在1850℃，各金属组分的原料纯度不小于99.9％；
38.步骤二，雾化制粉：将熔炼的合金液搅拌均匀并静置10min，由炉内出钢时直接进行雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力为3mpa，制得高熵合金粉末，其粉末要求：粉体球形率90％以上、粉体氧含量＜200ppm，100μm以下的雾化粉末质量百分比含量达到90％以上；
39.步骤三，粉末包套及封装：将高熵合金粉末进行机械搅拌均匀后，装入包套模具中静压预成型，抽真空至包套内真空度10-1
pa以上，然后用电子束焊机将包套端盖焊接密封，所述包套用5mm厚低碳钢板或纯铁板焊接，包套内表面需机械打磨去除氧化皮及杂质，将5个面焊接好，预留上端面开口用于填装高熵合金粉末，在高熵合金粉末填装满后盖上端盖板，放入压力设备下延端盖板向粉体施压，单位压力35mpa，压制30min，将粉末压紧；
40.步骤四，粉末热轧成型：将包套置于加热炉中加热至1000℃，保温1h后出炉热轧，热轧每道采用次压下量控制在10％，总变形量92％，得到高熵合金材料。
41.实施例3：
42.一种高熵合金材料，以摩尔百分比计，其化学成分由以下元素组成：fe 21％、
mn15％、cu 16.9％、cr 15％、v 17％、ti 15％、b0.1％和不可避免的杂质。
43.一种高熵合金材料的制备方法，包括以下步骤：
44.步骤一，电炉冶炼：按上述摩尔百分比，把纯铜、纯锰、纯铁、纯钛、纯铬、和纯钒依次加入冶炼炉中，通入氩气保护开始熔炼，合金熔炼2遍，合金第一次熔炼完浇铸成锭后，再将合金锭熔化，待炉内金属全部熔化后电磁搅拌20min，再加入硼铁合金粉搅拌均匀得到合金液，硼铁合金粉的粒度≥200目，合金的硼含量大于20％，熔炼加热温度控制在1700℃，各金属组分的原料纯度不小于99.9％；
45.步骤二，雾化制粉：将熔炼的合金液搅拌均匀并静置10min，由炉内出钢时直接进行雾化处理，雾化采用氮气进行处理，雾化喷嘴气体压力为6mpa，制得高熵合金粉末，其粉末要求：粉体球形率90％以上、粉体氧含量＜200ppm，100μm以下的雾化粉末质量百分比含量达到90％以上；
46.步骤三，粉末包套及封装：将高熵合金粉末进行机械搅拌均匀后，装入包套模具中静压预成型，抽真空至包套内真空度10-1
pa以上，然后用电子束焊机将包套端盖焊接密封，所述包套用2mm厚低碳钢板或纯铁板焊接，包套内表面需机械打磨去除氧化皮及杂质，将5个面焊接好，预留上端面开口用于填装高熵合金粉末，在高熵合金粉末填装满后盖上端盖板，放入压力设备下延端盖板向粉体施压，单位压力35mpa，压制30min，将粉末压紧；
47.步骤四，粉末热轧成型：将包套置于加热炉中加热至950℃，保温2h后出炉热轧，热轧每道采用次压下量控制在20％，总变形量95％，得到高熵合金材料。
48.将实施例1-3得到的高熵合金材料取样品进行性能检测，检测结果如表1所示。
49.表1
[0050] 实施例1实施例2实施例3硬度hrc626365抗弯强度mpa265025802760冲击功j7.427.187.02
[0051]
将上述实施例1制备的高熵合金材料制成刀片开刃后，测得其技术性能参数，测试结果如表2所示。
[0052]
表2
[0053][0054]
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理
应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。