一种共晶系高熵合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种共晶系高熵合金及其制备方法 (Eutectic high-entropy alloy and preparation method thereof ) 是由 王雷 张国君 张云鹏 姚成利 武新塬 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种共晶系高熵合金,按照原子百分比为NiAl-(Mo-xCr-xFe-x)-(3x),13.3≤x≤16,其中,Ni、Al为等原子比；本发明还公开了该共晶系高熵合金的制备方法,具体为,按照原子比称取各原料,对原料表面进行去氧化皮预处理,置于电弧熔炼炉中进行熔炼得到共晶系高熵合金,本发明的共晶高熵合金同时具有较高的强度及较好的塑性,明显具有更好的力学性能。(The invention discloses an eutectic high-entropy alloy which is NiAl- (Mo) according to atomic percentage x Cr x Fe x ) 3x X is more than or equal to 13.3 and less than or equal to 16, wherein the atomic ratio of Ni to Al is equal; the invention also discloses a preparation method of the eutectic system high-entropy alloy, which comprises the steps of weighing the raw materials according to the atomic ratio, carrying out descaling pretreatment on the surfaces of the raw materials, and putting the raw materials into an electric arc melting furnace for melting to obtain the eutectic system high-entropy alloy.)
技术领域
本发明属于共晶高熵合金
技术领域
，涉及一种共晶系高熵合金，本发明还涉及上述共晶系高熵合金的制备方法。背景技术
金属间化合物是近些年高温结构材料的研究热点之一，如NiAl、Ni3Al、TiAl、FeAl等，尤其NiAl具有高熔点、低密度、高导热率、抗氧化性能优异等优点可作为理想的高温结构材料之一，但是其室温脆性和低的强度限制了其进一步应用。
以前有向NiAl中添加微量元素如Fe、Mo、Ga、Hf等，很难改善其脆性或强度，更多是向NiAl中添加一定含量的单一元素如Mo、Cr、Fe等形成共晶合金来改善NiAl的性能，如NiAl-Mo、NiAl-Cr、NiAl-Fe共晶合金，相应的断裂韧性得到明显改善，还有向NiAl中添加一定含量的Cr/Ta或Cr/Nb形成伪三元共晶，其断裂韧性也没有明显改善，或者单一添加一定含量的Ta、Nb后形成NiAl-Ta和NiAl-Nb共晶，相应的高温强度得到明显改善，但室温断裂韧性比较低。因此，对于金属间化合物NiAl，目前最大的难题是很难同时获得高的强度和韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种共晶系高熵合金，解决了现有技术中存在的NiAl金属间化合物不能同时具有较高韧性和强度的问题。
本发明的另一目的是提供上述共晶系高熵合金的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种共晶系高熵合金，按照原子百分比为NiAl-(MoxCrxFex)3x，13.3≤x≤16，其中，Ni、Al为等原子比。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-(MoxCrxFex)3x，13.3≤x≤16的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金。
本发明另一技术方案的特点还在于：
步骤1中称取的Ni块纯度为99.9～99.96wt％，Al棒纯度为99.9～99.99wt％，Cr片的纯度为99.9～99.95wt％，Mo丝的纯度为99.9～99.95wt％，Fe棒的纯度为99.9～99.95wt％；Al的质量补偿为0.5～2wt％。
步骤2具体为，量取体积比为1:1～1.5的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗10～20min；量取体积比为1:1:1～1.5的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗5～15min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗。
步骤3中熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.9×10-3Pa～5.0×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.06～-0.05MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为60～70A，熔炼电流为450～490A，熔炼时间为1-2min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为10～12A，磁搅拌6～7min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复3-5次，得到共晶系高熵合金。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种共晶系高熵合金，该共晶系高熵合金包括亚共晶高熵合金、共晶高熵合金、过共晶高熵合金，均含有共晶组织。共晶组织由NiAl相和MoCrFe高熵相组成，其中MoCrFe高熵相因为晶格畸变具有较高的强度，外加各元素对NiAl的韧化，使得该合金将具有高的强度和韧性。此外，本发明的共晶系高熵合金克服了绝大多数高熵合金铸造性能差的缺点。本发明提供一种共晶系高熵合金的制备方法，采用真空非自耗电弧熔炼法制备，不仅制备方法工艺简单稳定，而且制备过程中在温度达到很高的同时还可以采用磁搅拌使合金铸锭组织成分均匀。
附图说明
图1a是本发明实施例1制备的NiAl-Mo13.3Cr13.3Fe13.3(at％)亚共晶高熵合金的低倍微观组织图；
图1b是本发明实施例1制备的NiAl-Mo13.3Cr13.3Fe13.3(at％)亚共晶高熵合金的高倍微观组织图；
图2a是本发明实施例2制备的NiAl-Mo14.0Cr14.0Fe14.0(at％)亚共晶高熵合金的低倍微观组织图；
图2b是本发明实施例2制备的NiAl-Mo14.0Cr14.0Fe14.0(at％)亚共晶高熵合金的高倍微观组织图；
图3a是本发明实施例3制备的NiAl-Mo14.5Cr14.5Fe14.5(at％)共晶高熵合金的低倍微观组织图；
图3b是本发明实施例3制备的NiAl-Mo14.5Cr14.5Fe14.5(at％)共晶高熵合金的高倍微观组织图；
图4a是本发明实施例4制备的NiAl-Mo15.0Cr15.0Fe15.0(at％)过共晶高熵合金的低倍微观组织图；
图4b是本发明实施例4制备的NiAl-Mo15.0Cr15.0Fe15.0(at％)过共晶高熵合金的高倍微观组织图；
图5a是本发明实施例5制备的NiAl-Mo16.0Cr16.0Fe16.0(at％)过共晶高熵合金的低倍微观组织图；
图5b是本发明实施例5制备的NiAl-Mo16.0Cr16.0Fe16.0(at％)过共晶高熵合金的高倍微观组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种共晶系高熵合金，按照原子百分比为NiAl-(MoxCrxFex)3x，13.3≤x≤16，其中，Ni、Al为等原子比。
本发明的一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-(MoxCrxFex)3x，13.3≤x≤16的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.9～99.96wt％，Al棒纯度为99.9～99.99wt％，Cr片的纯度为99.9～99.95wt％，Mo丝的纯度为99.9～99.95wt％，Fe棒的纯度为99.9～99.95wt％；Al的质量补偿为0.5～2wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1～1.5的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗10～20min；量取体积比为1:1:1～1.5的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗5～15min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.9×10-3Pa～5.0×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.06～-0.05MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为60～70A，熔炼电流为450～490A，熔炼时间为1-2min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为10～12A，磁搅拌6～7min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复3-5次，得到共晶系高熵合金。
实施例1
一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-Mo13.3Cr13.3Fe13.3(at％)的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.9wt％，Al棒纯度为99.95wt％，Cr片的纯度为99.9％，Mo丝的纯度为99.9wt％，Fe棒的纯度为99.9wt％；Al的质量补偿为0.5wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗10min；量取体积比为1:1:1的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗5min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.9×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.06MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为60A，熔炼电流为450A，熔炼时间为1min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为12A，磁搅拌7min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复3次，得到共晶系高熵合金。
图1为实施例1制备的NiAl-Mo13.3Cr13.3Fe13.3(at％)高熵合金的微观组织图，图1(b)为高倍扫描电镜图，微观组织中包含层片共晶组织，共晶组织由黑色NiAl相和MoCrFe高熵相组织，MoCrFe高熵相的强韧化将使合金具有高的强度和韧性。另外，如图1(a)所示，合金组织中还包括黑色初生NiAl相，说明该成分合金为亚共晶合金。
实施例2
本发明的一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-Mo14.0Cr14.0Fe14.0(at％)的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.95wt％，Al棒纯度为99.9wt％，Cr片的纯度为99.95wt％，Mo丝的纯度为99.95wt％，Fe棒的纯度为99.95wt％；Al的质量补偿为1wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1.25的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗10min；量取体积比为1:1:1.25的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗5min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.9×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.06MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为60A，熔炼电流为460A，熔炼时间为1min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为11A，磁搅拌7min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复3次，得到共晶系高熵合金。
图2为实施例2制备的NiAl-Mo14.0Cr14.0Fe14.0(at％)高熵合金的微观组织图，图2(b)为高倍扫描电镜图，微观组织中包含层片共晶组织，共晶组织由黑色NiAl相和MoCrFe高熵相组织，MoCrFe高熵相的强韧化将使合金具有高的强度和韧性。另外，如图2(a)所示，合金组织中还包括黑色初生NiAl相，说明该成分合金为亚共晶合金。
实施例3
本发明的一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-Mo14.5Cr14.5Fe14.5(at％)的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.96wt％，Al棒纯度为99.9wt％，Cr片的纯度为99.95wt％，Mo丝的纯度为99.95wt％，Fe棒的纯度为99.9wt％；Al的质量补偿为1.5wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1.25的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗15min；量取体积比为1:1:1.25的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗12min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.5×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.05MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为65A，熔炼电流为470A，熔炼时间为2min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为11A，磁搅拌6.5min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复4次，得到共晶系高熵合金。
图3为实施例3制备的NiAl-Mo14.5Cr14.5Fe14.5(at％)高熵合金的微观组织图，图3(b)为高倍扫描电镜图，微观组织全部为胞状的共晶层片组织，共晶两相为NiAl相和MoCrFe高熵相，即根据组织判断NiAl-Mo14.5Cr14.5Fe14.5(at％)为共晶高熵合金，属于NiAl-MoCrFe共晶系高熵合金，MoCrFe高熵相的强韧化将使合金具有高的强度和韧性。另外，如图3(a)所示，合金组织中不包括黑色初生NiAl相，
实施例4
本发明的一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-Mo15.0Cr15.0Fe15.0(at％)的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.9wt％，Al棒纯度为99.99wt％，Cr片的纯度为99.95wt％，Mo丝的纯度为99.9wt％，Fe棒的纯度为99.9wt％；Al的质量补偿为1wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1.5的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗20min；量取体积比为1:1:1.25的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗15min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.5×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.05MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为70A，熔炼电流为480A，熔炼时间为2min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为10A，磁搅拌6min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复5次，得到共晶系高熵合金。
图4为实施例4制备的NiAl-Mo15.0Cr15.0Fe15.0(at％)高熵合金的微观组织图，图4(b)为高倍扫描电镜图，微观组织中包含层片共晶组织，共晶组织由黑色NiAl相和MoCrFe高熵相组织，MoCrFe高熵相的强韧化将使合金具有高的强度和韧性。另外，如图4(a)所示，合金组织中还包括白色初生MoCrFe相，说明该成分合金为过共晶合金。
实施例5
本发明的一种共晶系高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按照NiAl-Mo16.0Cr16.0Fe16.0(at％)的原子百分比分别称取Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒，其中Ni、Al为等原子比，并计算Al的补偿量，Ni块纯度为99.96wt％，Al棒纯度为99.99wt％，Cr片的纯度为99.95wt％，Mo丝的纯度为99.9wt％，Fe棒的纯度为99.9wt％；Al的质量补偿为2wt％；
步骤2、对步骤1称取的Ni块、Al棒、Mo丝和Fe棒的表面进行去氧化皮预处理，具体为，量取体积比为1:1.5的HCl和水作为清洗液，将该清洗液倒入超声仪中，同时将Al棒和Fe棒置于该清洗液中进行清洗，清洗20min；量取体积比为1:1:1.5的HCl、HNO3和水作为清洗液，将该清洗液倒入另一超声仪中，同时将Ni块和Mo丝置于该清洗液中进行清洗，清洗15min；超声清洗结束后，分别再用酒精进行清洗；
步骤3、在电弧熔炼炉其中一个水冷铜坩埚内放置纯钛材料，然后将Ni块、Al棒、Cr片、Mo丝和Fe棒按照熔点由低至高从下往上依次放置于电弧熔炼炉中的另一个水冷铜坩埚中，进行熔炼操作得到共晶系高熵合金；
熔炼具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、先将电弧熔炼炉的工作腔抽真空至5.0×10-3Pa，再通入高纯氩气作为保护气体，当炉内压强达到-0.05MPa时停止充气；
步骤3.2、对电弧熔炼炉内的原料进行熔炼，引弧电流为70A，熔炼电流为490A，熔炼时间为2min，熔炼完成后打开磁搅拌，磁搅拌电流为10A，磁搅拌6min后冷却，得到初次熔炼的铸锭；
步骤3.4、将初次熔炼的铸锭进行翻转，将步骤3.2重复5次，得到共晶系高熵合金。
图5为实施例5制备的NiAl-Mo16.0Cr16.0Fe16.0(at％)高熵合金的微观组织图，图5(b)为高倍扫描电镜图，微观组织中包含层片共晶组织，共晶组织由黑色NiAl相和MoCrFe高熵相组织，MoCrFe高熵相的强韧化将使合金具有高的强度和韧性。另外，如图5(a)所示，合金组织中还包括白色初生MoCrFe相，说明该成分合金为过共晶合金。
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