一种高性能铁基中熵合金及其热处理方法
阅读说明：本技术 一种高性能铁基中熵合金及其热处理方法 (High-performance iron-based medium-entropy alloy and heat treatment method thereof ) 是由 王志军 王健斌 吴庆峰 刘海龙 李俊杰 王锦程 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高性能铁基中熵合金及其制备方法,本发明涉及金属材料技术领域。该合金包括以下摩尔百分比的组分：Al：12-20at％,Cr：8-12at％,Fe：35-55at％,Ni：25-45at％。本发明明确了铁基中熵合金的相选择规律,利用该规律可以实现对合金成分设计的科学指导以及性能预测。(The invention discloses a high-performance iron-based medium-entropy alloy and a preparation method thereof, and relates to the technical field of metal materials. The alloy comprises the following components in percentage by mole: al: 12-20 at%, Cr: 8-12 at%, Fe: 35-55 at%, Ni: 25-45 at%. The invention defines the phase selection rule of the iron-based medium entropy alloy, and can realize scientific guidance and performance prediction on the alloy component design by utilizing the rule.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种高性能铁基中熵合金及其热处理方法。
背景技术
高性能合金作为重要的结构材料，在民用和国防工业中均承担着不可替代的作用。合金的强度及塑性是其机械性能的主要体现，因此提高强度和塑性是合金设计的重要目标。中熵合金以多种元素作为基体，具有广阔的成分设计空间，是一种新型的结构材料。因具有高强度、高硬度、高耐磨、高耐蚀等杰出的机械性能，中熵合金在理论研究和工业应用方面均表现出广泛的前景。其中不含Co的铁基中熵合金具有较低的成本，因此具有较大的应用前景。
现有的多种镍铁基中熵合金对于合金的成分缺乏系统的探究，对于合金的性能缺乏有效的调控，无法为其实际应用提供切实的指导。同样，现有高熵合金主要通过调控成分形成FCC+BCC的双相结构来平衡合金的强塑性，并且对于合金的性能着重于铸态。高熵合金中含有较高含量的昂贵Co、Ni元素，应用成本高。铁基中熵合金在成本和性能方面具有较好的平衡性，然而成分的变化对铁基中熵合金的力学性能有很大影响，并缺乏系统的研究，各种合金元素对相选择过程起到的作用不清楚，合金成分的确定缺乏科学性和系统性，造成合金的性能有较大的随机性。因此适当地选取合金元素及其含量，明确合金的相演化与组织规律，进而提高合金的力学性能是合金设计的重要问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高性能铁基中熵合金及其热处理方法
本发明第一个目的是提供一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：
Al：12-20at％，Cr：8-12at％，Fe：35-55at％，Ni：25-45at％。
优选的，包括以下摩尔百分比的组分：Al：15～17at％，Cr：10at％，Fe：36～49at％，Ni：26～36at％。
优选的，还包括以下摩尔百分比的组分：Mo：0-3at％，W：0-2at％，Mn：0-5at％，Ti：0-3at％，C：0-0.2at％。
本发明第二个目的是提供一种高性能铁基中熵合金的热处理方法，包括以下步骤：
将铸态的中熵合金锭施加一定变形量后，于1100～1250℃保温15～30min，随后进行淬火，获得第一次热处理的中熵合金锭；
将第一次热处理的中熵合金锭再施加一定变形量后，于1100～1250℃保温15～30min，随后进行淬火，即得热处理的高性能铁基中熵合金。
优选的，所述变形量为20～40％。
优选的，铸态的中熵合金锭是按照以下步骤制得：
在惰性气氛条件下，将按照元素的摩尔百分比称取的合金组分Al、Cr、Fe、Ni、Mo、W、Mn、Ti、C原料，于真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉中，进行熔炼，待熔炼完成并彻底冷却后，获得合金锭；然后将合金熔体浇铸到模具中，即得铸态的中熵合金锭。
更优选的，熔炼时的温度为1500～1650℃。
优选的，所述热处理温度为1150～1250℃，保温15～600min。
优选的，施加变形量采用冷轧的方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过调整成分实现了铸态合金相组成的变化，并通过正交试验方法确定了各合金元素对相选择的作用，首次明确了铁基中熵合金的相选择规律。研究表明，Al元素含量的提高可以增加B2相的体积分数，而Ni元素含量的提高可以增加FCC相的体积分数，同时，Cr和Fe含量的增加对BCC相的形成有促进作用。利用该规律可以实现对合金成分设计的科学指导以及性能预测。
本发明将铸态合金具有很高的屈服强度，约为1.1GPa，经过热机械处理后，合金的强度有所下降，但塑性得到了大幅度的提升。通过热机械处理方法，合金的强塑性得到平衡，结合成分的设计，可以获得不同性能的铁基中熵合金材料。
本发明提供的热处理工艺成本低，过程简单，能够进一步调控和改善铁基中熵合金的性能。
附图说明
图1为实施例1提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
图2为实施例1提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
图3为实施例2提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
图4为实施例2提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
图5为实施例3提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
图6为实施例3提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
图7为实施例4提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
图8为实施例4提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：
Al：12-20at％，Cr：8-12at％，Fe：35-55at％，Ni：25-45at％，Mo：0-3at％，W：0-2at％，Mn：0-1at％，C：0-0.02at％。
下述各实施例中采用的Al、Cr、Fe和Ni原料均为纯度99wt％以上的工业级纯原料。
实施例1
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：
Al：17at％，Cr：10at％，Fe：47at％，Ni：26at％。
一种高性能铁基中熵合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、超声清洗：将Al、Cr、Fe、Ni合金原料使用机械研磨方法去除元素表面的氧化皮，然后置于不同容器中并加入酒精溶液，超声清洗，取出后吹干酒精得到超声处理后的原料；
S2、配料：按照元素的摩尔百分比分别称量S1得到Al：3.5767g、Cr：4.0545g、Fe：20.4677g、Ni：11.9010g原料并混合；
S3：熔炼：将S2混合好的原料放入真空非自耗电弧炉的坩埚中，关闭炉门，抽真空至3×10-3Pa然后反冲高纯氩气至0.06Mpa；起弧后，首先对钛锭进行熔炼以吸收炉内残留的氧气，然后对S2中混合好的原料进行熔炼，同时开启电磁搅拌，所述熔炼电流为180A，搅拌电流为1A，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为2min；待样品熔炼完成并彻底冷却后，将其翻面，反复熔炼4次，每次应使合金在液态下保持8min，使得各元素混合均匀，熔炼完成后，将合金熔体浇铸到模具中，即得铸态的中熵合金锭；
S4、将中熵合金锭冷轧厚度变形量约为30％后，于1200℃保温20min，随后进行淬火，获得第一次热处理的中熵合金锭；
将第一次热处理的中熵合金锭再冷轧厚度变形量约为30％后，于1200℃保温20min，随后进行淬火，即得热处理的高性能铁基中熵合金。
实施例2
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：Al：17at％，Cr：10at％，Fe：36at％，Ni：36at％，Mo：1at％。
实施例3
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：Al：17at％，Cr：10at％，Fe：36at％，Ni：36at％，Mo：0.5at％，W：0.5at％。
实施例4
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：Al：15at％，Cr：10at％，Fe：49at％，Ni：26at％。
实施例5
一种高性能铁基中熵合金，包括以下摩尔百分比的组分：Al：17at％，Cr：10at％，Fe：36at％，Ni：35at％，Mo：0.5at％，W：0.5at％，Mn：0.5at％，Ti：0.49at％，C：0.01at％。
实施例2-5的高性能铁基中熵合金的热处理方法，与实施例1基本相同，区别在于将原料配比改为各实施例的配比。
为了说明本发明提供的一种高性能铁基中熵合金及热处理方法的各项性能，对实施例1～4提供的铸态的中熵合金锭及热处理后的高性能铁基中熵合金相关性能测试，见图1～8所示。
图1为实施例1提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
其中，图1(a1)和图1(a2)为不同放大倍数下的铸态的中熵合金锭微观组织图片；
图1(b1)和图1(b2)为不同放大倍数下的热处理的高性能铁基中熵合金微观组织图片；
图1(a1)和图1(a2)为实施例1的铸态组织，可以看到合金由包含BCC和B2的细密调幅组织构成。图1(b1)和图1(b2)为实施例1经过所述热机械处理得到的组织，可以看到合金转变为均匀的两相等轴组织。
图2为实施例1提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
从图2可知，本发明提供的铸态合金具有很高的屈服强度，约为1.1GPa。经过热机械处理后，合金的强度有所下降，但塑性得到了大幅度的提升。通过所述的热机械处理方法，合金的强塑性得到平衡，结合成分的设计，可以获得不同性能的铁基中熵合金材料。
图3为实施例2提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
其中，图3(a1)和图3(a2)为不同放大倍数下的铸态的中熵合金锭微观组织图片；
图3(b1)和图3(b2)为不同放大倍数下的热处理的高性能铁基中熵合金微观组织图片；
图3(a1)和图3(a2)为实施例2的铸态组织，可以看到合金由包含FCC和B2的细密调幅组织构成。图3(b1)和图3(b2)为实施例2经过所述热机械处理得到的组织，可以看到合金转变为均匀的两相等轴组织。
图4为实施例2提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
从图4可知，本发明提供的铸态合金具有很高的断裂强度，约为1.2GPa。经过热机械处理后，合金的强度有所下降，同时塑性得到了一定的提升。通过所述的热机械处理方法，合金的强塑性得到平衡，结合成分的设计，可以获得不同性能的铁基中熵合金材料。
图5为实施例3提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
其中，图5(a1)和图5(a2)为不同放大倍数下的铸态的中熵合金锭微观组织图片；
图5(b1)和图5(b2)为不同放大倍数下的热处理的高性能铁基中熵合金微观组织图片；
图5(a1)和图5(a2)为实施例3的铸态组织，可以看到合金由包含FCC和B2的细密调幅组织构成。图5(b1)和图5(b2)为实施例3经过所述热机械处理得到的组织，可以看到合金转变为均匀的两相等轴组织。
图6为实施例3提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
从图6可知，本发明提供的铸态合金具有很高的断裂强度，约为1.1GPa。经过热机械处理后，合金的强度有所下降，但塑性得到了较大的提升。通过所述的热机械处理方法，合金的强塑性得到平衡，结合成分的设计，可以获得不同性能的铁基中熵合金材料。
图7为实施例4提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的微观组织图片。
其中，图7(a1)和图7(a2)为不同放大倍数下的铸态的中熵合金锭微观组织图片；
图7(b1)和图7(b2)为不同放大倍数下的热处理的高性能铁基中熵合金微观组织图片；
图7(a1)和图7(a2)为实施例4的铸态组织，可以看到合金由包含BCC和B2的细密调幅组织构成。图7(b1)和图7(b2)为实施例4经过所述热机械处理得到的组织，可以看到合金转变为均匀的两相等轴组织。
图8为实施例4提供的铸态的中熵合金锭及热处理的高性能铁基中熵合金的在室温条件下的应力应变曲线。
从图8可知，本发明提供的铸态合金具有很高的断裂强度，约为1.3GPa。经过热机械处理后，合金的强度有所下降，但塑性得到了较大的提升。通过所述的热机械处理方法，合金的强塑性得到平衡，结合成分的设计，可以获得不同性能的铁基中熵合金材料。
综上，本发明通过调整成分实现了铸态合金相组成的变化，并通过正交试验方法确定了各合金元素对相选择的作用，首次明确了铁基中熵合金的相选择规律。研究表明，Al元素含量的提高可以增加B2相的体积分数，而Ni元素含量的提高可以增加FCC相的体积分数，同时，Cr和Fe含量的增加对BCC相的形成由促进作用。利用该规律可以实现对合金成分设计的科学指导以及性能预测。
本发明提供的热处理工艺成本低，过程简单，能够进一步调控和改善铁基中熵合金的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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