一种AlCoCrCuFeNi系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法

本发明涉及一种alcocrcufeni系高熵合金的制造方法。

背景技术：

1、高熵合金也叫做多主元合金，作为新型合金体系，高熵合金颠覆了传统合金单一主元的设计理念，具有广阔的成分设计空间。高熵合金具有高强度/硬度、抗高温氧化、耐腐蚀、耐磨和抗辐照等优异的综合性能，被认为是新一代先进工程结构材料，有望应用于航空航天、核工业、石油化工和海洋船舶等领域。

2、alcocrcufeni系高熵合金是自从高熵合金提出以来受到研究最为广泛的高熵合金体系之一。al作为主元加入通常会使该体系高熵合金形成bcc或b2相，从而让该体系高熵合金具备高强度和高硬度的性能特点；同时，据研究报道，该体系高熵合金也具备优异的抗海水腐蚀、耐磨和防污性能，在海洋服役装备中具有广阔的应用前景。

3、为实现alcocrcufeni系高熵合金的工程应用，需要对高性能合金构件的精密成形制造方法进行开发。目前，高熵合金的成形制造方式主要有铸造成形、增材制造和塑性成形等。其中铸造成形和增材制造是对液态材料进行成形制造，而塑性成形是对固态材料进行成形制造。对于铸造成形来说，虽然可保证良好的成形性，但会不可避免产生成分偏析、组织粗大、缩孔和疏松等微观组织不足和缺陷，导致产品构件力学性能的恶化。增材制造是一种集成材料制备和成形的一体化制造方法，具有很好的工艺灵活性，但是该方法存在产品表面精度差，成形构件致密度低等不足。同时，含cu的高熵合金在增材制造过程中极易产生微观组织的热撕裂，需严格进行工艺控制。塑性成形具有改善微观组织和提高成形构件力学性能的优势，但由于含有bcc和b2相的alcocrcufeni系高熵合金通常变形抗力大、塑性差，因而材料成形性差，塑性成形很难实现复杂构件的制造，同时对成形设备的载荷也有很高要求。因此，提出针对alcocrcufeni系高熵合金的高质量材料制备-构件成形-性能强韧化成形制造一体化新方法是推动alcocrcufeni系高熵合金在先进装备中应用的关键。

技术实现思路

1、本发明是要解决目前alcocrcufeni系高熵合金材料成形制造方法的成形性差，很难实现复杂构件的制造，同时对成形设备的载荷也有很高要求的技术问题，而提供一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法。

2、本发明的alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法是按以下步骤进行的：

3、一、高能球磨合金化制粉：

4、首先按合金化学式al0.8co0.5cr1.5cufeni(化学式中各个元素比例是原子比)中各个元素的比例称量各元素的单质粉末，使用双锥混粉器或球磨机球磨混合使各个粉末混合均匀；然后将混合粉末和球磨介质不锈钢球在手套箱中装入球磨罐中，球磨罐在手套箱中充入1个标准大气压高纯氩气后进行密封；随后，将球磨罐放置在行星球磨机上进行高能球磨以实现粉末合金化，在球磨15h～16h后暂停球磨，在手套箱中向球磨罐中加入硬脂酸后继续球磨，总球磨时间为48h～50h，从球磨罐中取出合金化的al0.8co0.5cr1.5cufeni高熵合金粉末；所述的硬脂酸的质量为混合粉末总质量的1％～1.5％；

5、二、热压烧结制备块体合金：

6、将步骤一中制备的高熵合金粉末在真空热压烧结炉中进行烧结固化，烧结过程在真空条件下进行，真空热压烧结炉先预加热至800℃～850℃，此时轴向加压40mpa～45mpa并继续以相同的速率升温至1050℃～1100℃并保温2h～2.5h，然后卸去压力；待真空热压烧结炉冷却至室温后取出烧结得到的块体合金；

7、三、直接等温热处理制备半固态合金：

8、先将电阻炉预热至1100℃～1150℃，随后放入步骤二得到的块体合金，再加热至1200℃～1225℃并保温30min，得到半固态高熵合金，该过程在空气环境中进行；保温结束后立即取出半固态坯料用于后续的触变成形；

9、四、构件触变成形：在触变成形过程中使用的模具型腔依据目标成形构件的3d数模进行设计加工，模具安装在压力机上进行加载；首先使用电阻加热器对模具进行预热至150℃～160℃，在模具成形面上喷涂石墨乳，接着将模具继续加热至450℃～500℃时将步骤三中保温得到的半固态坯料立即放入模具中压制成形出构件；

10、压制成形过程中压力机的加载速度为10mm/s～15mm/s；压制完成后，在650mpa～660mpa的压力下进行60s～65s的保压，最后从模具中取出触变成形得到的构件，并在空气中冷却至室温即可。

11、本发明利用alcocrcufeni系高熵在固、液共存的半固态区间的触变变形来实现高熵合金构件的成形制造，以满足优异成形性、高制造精度、低成形载荷、细小组织和高力学性能的制造要求。同时针对传统半固态触变成形工艺中采用的铸锭冶金-应变诱导-等温球化-触变成形的路线存在铸态组织偏析严重，成形后组织较为粗大，半固态合金制备过程较为繁琐的弊端，本发明提出通过高能球磨合金化和热压烧结结合粉末冶金策略实现成分均匀，组织细小的粉体和块体初始待成形材料的冶金制备，利用具有等轴细小的组织初始材料直接进行半固态等温热处理制备得到半固态合金，再通过触变成形实现构件成形制造，达到成形性提升和性能强韧化的效果。利用初始细小微观组织的遗传效应可保证成形构件具有均匀且细小的优良微观组织。

12、本发明将alcocrcufeni系高熵合金的准确成分优化设计为al0.8co0.5cr1.5cufeni，如此设计是由于相较于等摩尔alcocrcufeni合金而言，减少高成本co元素的含量可降低合金成本，提高cr含量可使合金具有更高的强度和更好的抗氧化性，适当降低熔点低的al元素含量可提高合金的高温稳定性。

13、本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

14、(1)本发明可以实现alcocrcufeni系高熵合金的制备-成形-性能强韧化一体化；

15、(2)本发明可以显著提高alcocrcufeni系高熵合金的成形性，与塑性成形方法对比可大幅度降低成形载荷；

16、(3)对比于alcocrcufeni系高熵合金的液态成形方法，本发明方法可大幅度提高成形制造构件的微观组织致密性，且微观组织更为细小和均匀，所成形制造构件的力学性能更为优异；

17、(4)相比于传统半固态触变成形工艺，制备alcocrcufeni系高熵合金半固态坯料的流程更为高效，制备的半固态坯料的质量更高；

18、(5)本发明方法能提高alcocrcufeni系高熵合金构件的成形精度和成形构件表面质量，可实现近净成形，可大幅度提高材料的利用率。

技术特征：

1.一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤一中使用双锥混粉器或球磨机球磨混合使各个粉末混合均匀的转速为165rpm，球磨时间为2h。

3.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤一中所述的不锈钢球由直径为10mm、8mm和5mm的3种规格的不锈钢球组成，三者的质量比例依次为2:1:2；不锈钢球的总质量为混合粉末总质量的10倍。

4.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤一中所述的各元素的单质粉末中co粉、ni粉和cu粉均利用电解法制备而成，cr粉使用电解加机械研磨破碎的方式制备而成，al粉通过气雾化法制取，fe粉通过还原法制取。

5.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤一中高能球磨的转速为300rpm。

6.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤二中真空条件时的真空度低于0.001pa。

7.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤二中真空热压烧结炉先以10℃/min的加热速率加热至800℃，此时轴向加压40mpa并继续以相同的速率升温至1050℃并保温2h，然后卸去压力。

8.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤三中先将电阻炉预热至1100℃，随后放入步骤二得到的块体合金，再以10℃/min～15℃/min的加热速率加热至1200℃～1225℃并保温30min，得到半固态高熵合金，该过程在空气环境中进行。

9.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤四中所述的模具的材质为h13模具钢。

10.根据权利要求1所述的一种alcocrcufeni系高熵合金制备-触变成形-强韧化一体化制造方法，其特征在于步骤四中压制成形过程中压力机的加载速度为10mm/s～15mm/s；压制完成后，在650mpa的压力下进行60s的保压，最后从模具中取出触变成形得到的构件，并在空气中冷却至室温即可。

技术总结一种AlCoCrCuFeNi系高熵合金制备‑触变成形‑强韧化一体化制造方法，涉及一种AlCoCrCuFeNi系高熵合金的制造方法。本发明是要解决目前AlCoCrCuFeNi系高熵合金材料成形制造方法的成形性差，很难实现复杂构件的制造，同时对成形设备的载荷也有很高要求的技术问题。本发明提出通过高能球磨合金化和热压烧结结合粉末冶金策略实现成分均匀，组织细小的粉体和块体初始待成形材料的冶金制备，利用具有等轴细小的组织初始材料直接进行半固态等温热处理制备得到半固态合金，再通过触变成形实现构件成形制造，达到成形性提升和性能强韧化的效果。技术研发人员：姜巨福,黄敏杰,王迎受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17