本發(fā)明涉及一種稀土改性含錳耐蝕高熵合金及其制備方法，屬于高熵合金熔煉。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)材料在特殊領(lǐng)域的服役過程中，往往會出現(xiàn)力學(xué)性能或耐腐蝕性能無法滿足苛刻的服役環(huán)境，從而影響工程結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和安全性，還直接影響到材料的使用壽命和維護(hù)成本。為了解決這一難題，高熵合金應(yīng)運(yùn)而生。高熵合金憑借其穩(wěn)定的高混合熵和固溶體結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)合金的限制，大大拓展了合金設(shè)計(jì)的可能性。高熵合金展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性等，是研發(fā)特種設(shè)備的有力候選者。

2、稀土元素被譽(yù)為“工業(yè)維生素”。稀土微合金化可以細(xì)化材料的晶粒尺寸或形成第二相粒子，還可以改變合金的電化學(xué)特性、在合金表面形成更加致密的氧化膜。是一種有效的同時提高材料力學(xué)性能和耐蝕性的方法。這使得稀土元素在先進(jìn)材料設(shè)計(jì)和制造中具有重要的應(yīng)用價值，在鋼鐵、鎂合金和鋁合金中有著廣泛的應(yīng)用。

3、然而由于稀土元素的易揮發(fā)性和稀土氧化物的熔點(diǎn)過高，導(dǎo)致了其在熔煉過程中難以控制成分的均勻性，使得材料出現(xiàn)成分不均勻性，導(dǎo)致性能變差。因此在熔煉過程控制稀土元素的揮發(fā)以及鑄錠的均勻性，對高熵合金的制備具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種稀土改性含錳耐蝕高熵合金及其制備方法，通過優(yōu)化熔煉工藝，解決了高熵合金在熔煉過程中難以控制成分的均勻性，導(dǎo)致合金性能變差的問題，得到的合金擁有更好的耐點(diǎn)蝕性能和鈍化膜保護(hù)性。

2、目前摻雜稀土是提高材料耐蝕性的有效方法。在稀土元素中，ce和y是常見的稀土元素，且這兩種元素的價格相對較低，具備一定的經(jīng)濟(jì)性。微量稀土元素的摻雜不會改變高熵合金原有的單相結(jié)構(gòu)，此外，本發(fā)明中，mn、cr元素的加入目的是為了提高合金的力學(xué)性能，但由于合金內(nèi)部容易形成mns與mncr2o4夾雜物，導(dǎo)致cr的偏析以及mns的點(diǎn)蝕，使得合金的耐蝕性較差，而稀土元素的加入可以通過吸附o、s元素，并排除mn和cr元素，使得材料內(nèi)部元素更加均勻并形成耐蝕性更強(qiáng)的稀土夾雜物，改善鈍化膜的性能，從而有效提高合金的耐蝕性。

3、本發(fā)明選取的稀土元素的含量為0.01~0.5?at.%的原因是：由于稀土元素在材料中的固溶度有限，其含量通常在0.5?at.%以內(nèi)，因?yàn)檫^量的稀土元素會導(dǎo)致材料中夾雜物以及缺陷增多，并顯著降低材料的塑性，以及提高成本。

4、本發(fā)明提供了一種稀土改性含錳耐蝕高熵合金，由fe、mn、cr、ni、re組成，其中re包括ce或y，其中re與其它四種元素之和的原子比為x∶（100-x），其中x取0.01~0.5；其它四種元素fe、mn、cr、ni的原子比為：40∶20∶20∶20。

5、進(jìn)一步地，所述高熵合金選用的元素均為純度大于99.95%的塊體原料。

6、本發(fā)明提供了上述fe-mn-cr-ni-re高熵合金的制備方法，具體包括以下步驟：

7、s1、根據(jù)高熵合金的化學(xué)組成及其原子比稱取原料，然后打磨氧化皮，在酒精中超聲清洗以去除雜質(zhì)；

8、s2、將步驟s1配備的原料分為兩份，第一份包括fe、cr、ni和re元素，第二份只含有純mn單一元素，將兩份原料分別放入電弧爐的兩個銅坩堝中；

9、s3、使用機(jī)械泵抽真空后啟動分子泵繼續(xù)抽真空至1×10-3?pa~3×10-3?pa，然后關(guān)閉閥門和分子泵；充入高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)為0.3-0.5atm；

10、s4、打開焊接電流和電壓，引弧后首先加熱熔煉海綿鈦塊，待鈦塊冷卻后觀察表面顏色，若表面依然呈現(xiàn)出銀白色的金屬光澤則證明爐腔內(nèi)無空氣殘留；然后對步驟s2放置的fe、cr、ni、re原料進(jìn)行熔煉；

11、s5、使用工具將步驟s4所得鑄錠移動到含原料mn的坩堝內(nèi)，繼續(xù)熔煉；

12、s6、將步驟s5熔化的鑄錠吸鑄到85mm×10mm×6mm的模具中，冷卻10~20分鐘后，打開模具，取出樣品；

13、s7、將得到的樣品進(jìn)行熱處理。

14、進(jìn)一步地，在步驟s1中，由于mn元素的熔點(diǎn)較低、易揮發(fā)，因此在配置時，需要多稱取1%~5%的mn來對其補(bǔ)償。

15、進(jìn)一步地，在步驟s2中，第一份原料從下往上依次按照：ni、fe、re、cr的順序放置在銅坩堝內(nèi)，并且re被其他三種原料包裹。

16、進(jìn)一步地，在步驟s4中，首先用小火從邊緣預(yù)熱原料，然后用大火熔煉均勻，保持20~30秒；重復(fù)熔煉3~6次，每次熔煉前使用輔助工具將合金錠翻轉(zhuǎn)。

17、進(jìn)一步地，在步驟s5中，重復(fù)熔煉5~6次，每次熔煉前使用輔助工具將合金錠翻轉(zhuǎn)。

18、進(jìn)一步地，在步驟s7中，熱處理工藝為：1200~1300℃均勻化處理2~5h，冷軋50~80%，隨后進(jìn)行1000~1100℃的再結(jié)晶退火0.5~1h。

19、本發(fā)明的有益效果：

20、（1）本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)制備方法，得到了穩(wěn)定的含稀土的fe-mn-cr-ni-re高熵合金：傳統(tǒng)的制備方法得到的合金會使稀土元素固溶于基體中或只有極少量富集到夾雜物中，導(dǎo)致合金中原有的mns等對耐點(diǎn)蝕性不利的夾雜物無法被抑制；而本發(fā)明設(shè)計(jì)的制備方法，通過將mn元素與其他四種元素分為兩步熔煉，可以有效地防止re與mn首先發(fā)生固溶，制備的合金可以使mns夾雜物被改性為re-o-s夾雜物，提高了材料在氯化物溶液中的點(diǎn)蝕電位，并增強(qiáng)了鈍化膜的致密性，抑制了點(diǎn)蝕的發(fā)生；耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法制備的fe-mn-cr-ni-re高熵合金；

21、（2）本發(fā)明中稀土元素含量較少，主要元素均為常用合金，因此材料成本較低。

技術(shù)特征：

1.一種稀土改性含錳耐蝕高熵合金，其特征在于：由fe、mn、cr、ni、re組成，其中re包括ce或y，其中re與其它四種元素之和的原子比為x∶（100-x），其中x取0.01~0.5；其它四種元素fe、mn、cr、ni的原子比為：40∶20∶20∶20。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金，其特征在于：所述高熵合金選用的元素均為純度大于99.95%的塊體原料。

3.一種權(quán)利要求1或2所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于具體包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于：在步驟s1中，由于mn元素的熔點(diǎn)較低、易揮發(fā)，因此在配置時，需要多稱取1%~5%的mn來對其補(bǔ)償。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于：在步驟s2中，第一份原料從下往上依次按照：ni、fe、re、cr的順序放置在銅坩堝內(nèi)，并且re被其他三種原料包裹。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于：在步驟s4中，首先用小火從邊緣預(yù)熱原料，然后用大火熔煉均勻，保持20~30秒；重復(fù)熔煉3~6次，每次熔煉前使用輔助工具將合金錠翻轉(zhuǎn)。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于：在步驟s5中，重復(fù)熔煉5~6次，每次熔煉前使用輔助工具將合金錠翻轉(zhuǎn)。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稀土改性含錳耐蝕高熵合金的制備方法，其特征在于：在步驟s7中，熱處理工藝為：1200~1300℃均勻化處理2~5h，冷軋50~80%，隨后進(jìn)行1000~1100℃的再結(jié)晶退火0.5~1h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種稀土改性含錳耐蝕高熵合金及其制備方法，屬于高熵合金熔煉技術(shù)領(lǐng)域。所述高熵合金由Fe、Mn、Cr、Ni、RE組成，其中RE包括Ce或Y，其中RE與其它四種元素之和的原子比為x∶（100?x），其中x取0.01~0.5；其它四種元素Fe、Mn、Cr、Ni的原子比為：40∶20∶20∶20。本發(fā)明通過將Mn元素與其他四種元素分為兩步熔煉，可以有效地防止RE與Mn首先發(fā)生固溶，制備的合金可以使MnS夾雜物被改性為RE?O?S夾雜物，提高了材料在氯化物溶液中的點(diǎn)蝕電位，并增強(qiáng)了鈍化膜的致密性，抑制了點(diǎn)蝕的發(fā)生。

技術(shù)研發(fā)人員：晉璽,王迪,蘭愛東,喬珺威
受保護(hù)的技術(shù)使用者：太原理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6