專利名稱：AlCoCrFeNiTix高熵合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料及其制備領(lǐng)域,具體而言涉及AlCoCrFeNiTix(x為摩爾比，x=0,0. 1，0. 2，0. 3，0. 4和0. 5)高熵合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
一直以來，傳統(tǒng)的合金設(shè)計方法都是以一種或兩種元素作為主要組元，再通過添加其他元素來改進合金的組織性能，如不銹鋼、鋁合金、Ti-Al等二元系金屬間化合物以及塊體非晶合金等[1]。目前關(guān)于晶體相的相關(guān)理論，也僅局限于這些合金。合金中組元過多導(dǎo)致多種金屬間化合物或其他復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的形成，使其難以分析和后續(xù)加工[2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們在使用溫度、強度、耐磨性等方面對材料提出了越來越高的要求。盡管 人們開發(fā)了新的材料加工工藝，如快速凝固、激光加工等，來提高材料的使用性能，但還是不能滿足要求。傳統(tǒng)合金體系的發(fā)展已趨飽和，突破以I種或2種金屬元素為主的傳統(tǒng)合金的發(fā)展框架已是冶金科學家的一個追求目標。8年前有臺灣學者[3]率先跳出了傳統(tǒng)合金的發(fā)展框架，提出新的合金設(shè)計理念，即多主元合金。所謂多主元合金，或稱多主元高熵合金，就是多個主要元素(至少五元)的合金，其中每個主要元素都具有高的原子分數(shù)，但不超過35%，因此沒有一個元素能占50%以上，使得這種合金體現(xiàn)出多種元素的集體效應(yīng)。由于元素種類較多且含量都很高，從而合金混合熵(混亂度)很高，因此這種合金也稱為多主元高熵合金。而且研究結(jié)果表明多主元的高熵合金體系傾向于混亂排列而形成簡單的體心立方(BCC)或面心立方(FCC)相甚至非晶相，所得相數(shù)遠遠低于平衡相率所預(yù)測的相數(shù)，使得高熵合金具備優(yōu)良的綜合性能[3’4]，包括高硬度、大加工硬化、抗高溫軟化、耐腐蝕和高電阻率等，也使得高熵合金在應(yīng)用領(lǐng)域有著極其廣泛的前景。諸如高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具、刀具；高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面；高頻變壓器、馬達的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁盤、磁光盤、高頻軟磁薄膜；化學工廠、船艦的耐蝕高強度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的耐熱材料；超高大樓的耐火骨架和微機電材料等。高熵合金是一種可合成、分析和控制的新型合金，由此可開發(fā)出大量的高技術(shù)材料。高熵合金的開發(fā)和制備具有前瞻性，具有極大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值。由于應(yīng)用潛力多元化，面對的產(chǎn)業(yè)也多元化，因此傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開辟無限發(fā)揮的空間，對傳統(tǒng)冶金和鋼鐵行業(yè)的提升無疑具有重要意義。因此開發(fā)出具有更加力學性能的AlCoCrFeNiTix系合金，具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于開發(fā)出具有優(yōu)異的力學性能的高熵合金——AlCoCrFeNiTix系合金，使其滿足在現(xiàn)代工業(yè)中人們對材料力學性能的要求，使得高熵合金在應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采取的技術(shù)方案為一種高熵合金材料,成分為AlCoCrFeNiTix,其中x為摩爾比，x的取值范圍為0. I 0. 4。更具體而言，x取0. 1,0. 2、0.3,0.4中的任意一個；或者取值0. 2 0. 4。所述高熵合金材料采用的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti冶煉原料質(zhì)量濃度不低于99. 9%。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采取的技術(shù)方案還包括一種成分為AlCoCrFeNiTix的高熵合金材料的制備方法，其中x為摩爾比，x的取值范圍為0. I 0. 4，其特征在于包括以下步驟一、準備原料，采用的合金冶煉原料為Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti元素，按照摩爾比進行精確稱量配比，供熔煉制備合金時使用；二、純金屬的凈化，合金制備采用Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti為原料，凈化金屬表面氧化物；三、熔煉合金，先將配好的原料放在水冷銅模熔煉池中的槽內(nèi)，之后關(guān)好爐門，擰緊樣品室四個封閉旋鈕，對樣品室抽真空，當真空度達到I X 10_3Pa后向樣品室充99. 999%的高純氬氣至半個大氣壓；熔煉電流在250安培左右，時間約30-60秒鐘；待合金充分混合后將合金塊翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)4次以上，將合金錠迅速放入水冷銅模的槽內(nèi)，水冷銅模的槽是事先按需求放置的模具，調(diào)節(jié)熔煉電流，待合金熔化均勻后，打開吸鑄吸氣閥，利用泵內(nèi)真空進行吸鑄，待合金模具冷卻后取出，即得到所述高熵合金。 該制備方法還可包括步驟四熱處理，先用電阻爐進行熱處理，合金的熱處理溫度可以是500°C、700°C、900 V三個溫度中的任一個；隨后將溫度升到設(shè)定溫度后，使試樣入爐，隨爐保溫；之后隨爐保溫時間2h后，出爐空冷即可。另外，純金屬凈化步驟中采用硼酐凈化金屬表面氧化物，先將經(jīng)干燥的硼酐放入試管，然后放入待凈化純金屬，使硼酐位于試管底部，加熱試管至金屬熔化，熔化后的硼酐可以溶解金屬氧化物且向試管上部移動，浮于液態(tài)金屬上方而凈化金屬。此外，熔煉合金的步驟中采用WK型真空電弧爐來熔煉合金。熔煉合金的步驟中對樣品室抽真空時，可反復(fù)進行“抽真空-充氬氣”的過程3至5次，降低氧化影響以用于熔煉。熔煉合金的水冷銅模熔煉池包括中心供熔煉和吸鑄用的槽，周圍四個供熔煉用的槽?？傊景l(fā)明通過加入Ti并選擇不同Ti含量來獲得高熵合金，其能夠造成原有晶體結(jié)構(gòu)的較大畸變，并且在一定條件下能析出第二相，從而起到固溶強化和析出強化的效果。本發(fā)明還通過測試AlCoCrFeNiTixU為摩爾比，x = 0,0. 1,0. 2,0. 3，0. 4和0. 5)多主元高熵合金經(jīng)不同溫度熱處理后的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學性能影響來驗證本發(fā)明所要求保護材料的優(yōu)異性能。本發(fā)明的AlCoCrFeNiTix高熵合金,多組元近等原子比合金所固有的高混合熵特性顯著降低了合金的自由能從而降低其有序化的可能性，提高了合金在高溫下的穩(wěn)定性，熱處理促進枝晶相轉(zhuǎn)化為枝晶間相。本發(fā)明的AlCoCrFeNiTix高熵合金有很高的熱穩(wěn)定性以及經(jīng)高溫熱處理后有較高的硬度。與傳統(tǒng)的結(jié)晶合金相比，本發(fā)明的AlCoCrFeNiTix高熵合金表現(xiàn)出相當高的屈服強度、斷裂強度、塑性變形和加工硬化能力，即使在快速沖擊下仍然具有非常優(yōu)異的力學性能。


圖I例示了本發(fā)明的步驟流程圖。圖2例示了本發(fā)明使用的真空電弧熔煉。圖3例示了本發(fā)明使用的水冷銅模熔煉池。圖4例示了本發(fā)明使用的吸鑄模具。
圖5A例示了本發(fā)明的TiO. 2合金在不同溫度熱處理后的XRD圖譜。圖5B例示了本發(fā)明的TiO. 4合金在不同溫度熱處理后的XRD圖譜。圖6例示了本發(fā)明TiO. 2合金的掃描電鏡照片，其中(a)表示鑄態(tài)，(b)表示500°C熱處理2h，(c)表示700°C熱處理2h，(d)表示900°C熱處理2h，其中(b)、(c)和(d)中右上角的插圖是(b)、(C)和⑷的局部放大圖像。圖7A例示了本發(fā)明AlCoCrFeNiTix (X = 0，0.2，0.4和0.5)合金平均維氏硬度與溫度的關(guān)系。 圖7B例示了本發(fā)明AlCoCrFeNiTix(x = 0，0. 2，0. 4和0. 5)合金平均維氏硬度與成分的關(guān)系。圖8例示了本發(fā)明鑄態(tài)AlCoCrFeNiTixU = 0,0. 2,0. 4和0. 5)合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
具體實施例方式圖I例示了本發(fā)明的步驟流程圖。I、多主元高熵合金的制備是關(guān)鍵的一步，制備過程依次有如下步驟I)原料準備本發(fā)明采用的合金冶煉原料為高純(彡99. 9% )A1、Co、Cr、Fe、Ni和Ti元素，按照摩爾比進行精確的稱量配比，供熔煉制備合金時使用。合金成分見表I。不同Ti 含量的 AlCoCrFeNiTix (X = 0，0. 1，0. 2，0. 3，0. 4 和 0. 5)高熵合金(HEAs)的名義成分(at%)

權(quán)利要求
1.一種高熵合金材料，其特征在于所述高熵合金成分為AlCoCrFeNiTix，其中x為摩爾比，X的取值范圍為0. I 0. 4。
2.如權(quán)利要求I所述的高熵合金材料，其中X取值為0.1、0. 2、0. 3、0.4中的任意一個。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高熵合金材料，其中所述高熵合金材料采用的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti冶煉原料質(zhì)量濃度不低于99. 9%。
4.如權(quán)利要求I或3所述的高熵合金材料，其中X的取值范圍為0.2 0. 4。
5.一種制備權(quán)利要求1-4中任一個所述的高熵合金材料的方法，其特征在于包括以下步驟 一、準備原料，采用的合金冶煉原料為Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti元素，按照摩爾比進行精確稱量配比，供熔煉制備合金時使用； 二、純金屬的凈化，合金制備采用Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti為原料，凈化金屬表面氧化物； 三、熔煉合金，先將配好的原料放在水冷銅模熔煉池中的槽內(nèi)，之后關(guān)好爐門，擰緊樣品室四個封閉旋鈕，對樣品室抽真空，當真空度達到IX 10_3Pa后向樣品室充純度99. 999%的氬氣至半個大氣壓；熔煉電流在250安培左右，時間約30-60秒鐘；待合金充分混合后將合金塊翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)4次以上，將合金錠迅速放入水冷銅模的槽內(nèi)，水冷銅模的槽是事先按需求放置的模具，調(diào)節(jié)熔煉電流，待合金熔化均勻后，打開吸鑄吸氣閥，利用泵內(nèi)真空進行吸鑄，待合金模具冷卻后取出，即得到所述高熵合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高熵合金材料制備方法，還包括步驟 四、熱處理，先用電阻爐進行熱處理，合金的熱處理溫度可以是500°C、700°C、900。V三個溫度中的任一個；隨后將溫度升到設(shè)定溫度后，使試樣入爐，隨爐保溫；之后隨爐保溫時間2h后，出爐空冷即可。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6中所述的高熵合金材料制備方法，其中純金屬凈化步驟中采用硼酐凈化金屬表面氧化物，先將經(jīng)干燥的硼酐放入試管，然后放入待凈化的純金屬，使硼酐位于試管底部，加熱試管至金屬熔化，熔化后的硼酐可以溶解金屬氧化物且向試管上部移動，浮于液態(tài)金屬上方而凈化金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的高熵合金材料制備方法，其中熔煉合金的步驟中采用WK型真空電弧爐來熔煉合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的高熵合金材料制備方法，其中熔煉合金的步驟中對樣品室抽真空時，反復(fù)進行“抽真空-充氬氣”的過程3至5次，降低氧化影響以用于熔煉。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的高熵合金材料制備方法，其中熔煉合金的水冷銅模熔煉池包括中心供熔煉和吸鑄用的槽，周圍四個供熔煉用的槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及高熵合金材料及其制備技術(shù)。高熵合金材料成分為AlCoCrFeNiTix，其中x為摩爾比且取值范圍為0.1～0.4。其制備方法包括準備原料，采用的合金冶煉原料為Al、Co、Cr、Fe、Ni和Ti元素，按照摩爾比進行精確稱量配比；隨后凈化金屬表面氧化物；先將配好的原料放在水冷銅模熔煉池中的槽內(nèi)，抽真空-充氬氣，熔煉電流在250安培左右，時間約30-60秒鐘，待合金充分混合后將合金塊翻轉(zhuǎn)，之后將合金錠放入水冷銅模的槽內(nèi)，調(diào)節(jié)熔煉電流，待合金熔化均勻后，打開吸鑄吸氣閥，利用泵內(nèi)真空進行吸鑄，待合金模具冷卻后取出即可。與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，本發(fā)明的高熵合金表現(xiàn)出相當高的熱穩(wěn)定性、硬度、屈服強度、斷裂強度、塑性變形和加工硬化能力。
文檔編號C22C30/00GK102776430SQ20121029530
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者喬珺威, 楊慧君, 王銀鳳, 石巨巖 申請人:太原理工大學