基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于金属结构材料技术领域，具体涉及一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金及其制备方法。
背景技术：
2.随着航空、航天、核工业、汽车、化工、轨道交通等领域快速发展，对涡轮盘、包壳、热交换器、尾喷管等部件的综合性能以及轻量化提出了更高要求。在现有技术中，镍基、钴基、钛合金、钢铁是使用最为广泛的有色及黑色金属。但存在密度高(镍基、钴基、钢铁)、强度相对较低(钛合金)等问题。为了满足先进器件的快速发展对材料综合性能的要求，需要研发新材料。
3.高熵合金(high-entropy alloy,hea)作为一种新兴的多主元合金材料，由5种或以上金属元素，以同等或近乎同等摩尔分数构成，有广阔的成分设计空间，并且独特的结构使其具有优异的综合性能。目前研究最多的高熵合金是3d过渡族系列高熵合金(tm heas)和难熔系列高熵合金(rheas)。3d过渡族系列高熵合金由fe、cr、co、ni、al等过渡族元素组成。通过合理的成分设计，能够形成以共晶组织为主的共晶高熵合金，该系列高温高熵合金具有较低的密度、良好的铸造性能、良好的抗腐蚀性能和室温力学性能、优良的加工性能等优点，成为能够替代传统有色、黑色金属的理想材料。
4.然而，fecrco系共晶高熵合金虽然综合性能优异，但是强度和塑性并不突出，强塑性和传统金属材料比没有明显优势。合金中加入sic颗粒，制备金属基复材是提高强度的方法之一。然而，加入sic颗粒后，合金强度提升的同时，塑性会明显下降。强塑性难以同时提升成为了制约共晶高熵合金广泛使用的主要原因。
技术实现要素：
5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金及其制备方法，具体包括以下内容：
6.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，其特征在于，包括以下成分：fe 13at％～20at％、co 13at％～20at％、cr 13at％～20at％、al 13at％～20at％、ni 28at％～35at％、sic 3wt％～10wt％，以及不可避免的杂质。配料方法为：先按照原子百分比的比例配好金属元素的原料，然后按照质量比加入sic。
7.优选的，包括以下成分：fe 15at％～18at％、co 15at％～18at％、cr 15at％～18at％、al 15at％～18at％、ni 30at％～33at％、sic 5wt％～8wt％，以及不可避免的杂质。具体的，fe含量可以为15at％、16at％、17at％、18at％等；co含量可以为15at％、16at％、17at％、18at％等；cr含量可以为15at％、16at％、17at％、18at％等；al含量可以为15at％、16at％、17at％、18at％等；ni含量可以为30at％、31at％、32at％、32.5at％、33at％等；sic含量可以为5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％等。
8.优选的，所述高强高塑共晶高熵合金中不含sic颗粒，所述高强共晶高熵合金的微
观结构由面心立方相fcc及体心立方相bcc组成，且fcc相体积分数大于bcc相。
9.优选的，所述含有sic颗粒的高强高塑共晶高熵合金通过磁悬浮感应熔炼技术、真空电弧熔炼技术、或电子束熔炼技术制备。
10.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金的制备方法，将合金原料在压力为5
×
10-3
mpa～1
×
10-2
mpa的保护气氛围中，采用磁悬浮感应熔炼技术、真空电弧熔炼技术、或电子束熔炼技术进行熔炼；所述合金原料包括以下成分：fe 13at％～20at％、co 13at％～20at％、cr 13at％～20at％、al 13at％～20at％、ni28at％～35at％、sic 3wt％～10wt％，及不可避免的杂质。具体的，熔炼压力可以为5
×
10-3
mpa、6
×
10-3
mpa、7
×
10-3
mpa、8
×
10-3
mpa、9
×
10-3
mpa、1
×
10-2
mpa等。具体的，合金原料中：fe含量可以为13at％、14at％、15at％、16at％、18at％、19at％、20at％等；co含量可以为13at％、14at％、15at％、16at％、18at％、19at％、20at％等；cr含量可以为13at％、14at％、15at％、16at％、18at％、19at％、20at％等；al含量可以为13at％、14at％、15at％、16at％、18at％、19at％、20at％等；ni含量可以为28at％、29at％、30at％、31at％、32at％、34at％、35at％等；sic含量可以为3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％等。
11.优选的，所述合金原料在熔炼前还需要打磨去除各原料表面的氧化层，并将打磨后的原料放入工业级乙醇中超声清洗20min～25min；所述保护气为高纯氩气。
12.优选的，所述合金原料中的sic颗粒尺寸为20-80μm，具体可以为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、60μm、70μm、80μm等。
13.优选的，所述采用磁悬浮感应熔炼技术进行熔炼的具体方法为：首先将合金原料置于磁悬浮感应炉中，抽真空到真空度3
×
10-3
pa～5
×
10-3
pa(例如3.2
×
10-3
pa、3.5
×
10-3
pa、4
×
10-3
pa、4.5
×
10-3
pa等)后，充入保护气体使炉内气压保持5
×
10-3
mpa～1
×
10-2
mpa(例如6
×
10-3
mpa、7
×
10-3
mpa、8
×
10-3
mpa、9
×
10-3
mpa等)；然后对磁悬浮感应炉中的合金原料进行熔炼，熔炼电流为300a～450a(例如330a、350a、380a、390a、400a、425a等)，待合金原料完全熔融成液态后，保持熔炼2min～5min(例如2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min等)，将合金溶液通过电磁感应搅拌，冷却后得到所述sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金。
14.优选的，所述采用真空电弧熔炼技术进行熔炼的具体方法为：首先将合金原料置于真空电弧炉中，抽真空到真空度3
×
10-3
pa～5
×
10-3
pa(例如3.2
×
10-3
pa、3.5
×
10-3
pa、4
×
10-3
pa、4.5
×
10-3
pa等)后，控制起弧电流为150a～250a(例如160a、170a、180a、190a、200a、225a等)、熔炼电流为300a～450a(例如330a、350a、380a、390a、400a、425a等)，待合金原料完全熔融成液态后，保持熔炼2min～5min(例如2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min等)，冷却后得到合金铸锭；将所得的合金铸锭翻转，重复熔炼至少5次(例如6次、8次、10次、15次、20次等)，得到所述sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金。
15.优选的，所述采用电子束熔炼技术进行熔炼的具体方法为：首先将合金原料置于电子束炉中，抽真空到真空度3
×
10-3
pa～5
×
10-3
pa(例如3.2
×
10-3
pa、3.5
×
10-3
pa、4
×
10-3
pa、4.5
×
10-3
pa等)后，功率80-120kw(例如90kw、100kw、105kw、108kw、110kw等)，待合金原料完全熔融成液态后，保持熔炼2min～5min(例如2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min等)，冷却后得到合金铸锭；重复熔炼至少3次，得到所述sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明公开的基于sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金由面心立方相(fcc)和体心立方相(bcc)组成。本发明合金在室温下的抗拉强度可以达到1018mpa、屈服强度可以达到407mpa、断后伸长率约为18％，且密度较低，约为7.42g/cm3。此外，本发明公开的高熵合金具有非常优良的高温性能，在高温环境仍能保持优良的强度及塑性，是具有前景的高温结构材料。经实验验证，如表1所示，本发明合金在室温及高温下具有优良的抗拉强度、屈服强度、塑性等力学性能。
18.(2)本专利以fe 13at％～20at％、co 13at％～20at％、cr 13at％～20at％、al 13at％～20at％、ni 28at％～35at％比例制备的合金为共晶高熵合金，共晶高熵合金具有良好的流动性，即具备良好的铸造性能，能够有效避免合金中产生铸造缺陷。本发明公开的基于sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金，通过加入微米级别的sic颗粒，促进了fcc相生成，故在保证合金强度不下降的同时，也能提高合金材料的塑性。
19.(3)本专利加入的sic颗粒最终并未存在合金中。sic为强化相虽然能够提高合金的强度，但会显著降低合金的塑性。本专利利用sic密度低的特点，在合金中加入了密度更轻的sic颗粒，并将合金原料在压力为5
×
10-3
mpa～1
×
10-2
mpa的保护气氛围中，采用磁悬浮感应熔炼技术、真空电弧熔炼技术、或电子束熔炼技术进行熔炼。在液态合金冷却过程中，密度更轻的sic颗粒漂浮至合金表面，合金内部不存在大量sic颗粒，保证了合金提高强度的同时，塑性不下降。
附图说明
20.图1为实施例1制备的合金的xrd图谱；
21.图2为实施例1制备的合金的微观形貌图；
22.图3为实施例3制备的合金的xrd图谱；
23.图4为实施例3制备的合金的微观形貌图；
24.图5为实施例1制备的合金的拉伸性能图；
25.图6为实施例3制备的合金的拉伸性能图；
26.图7为实施例4制备的合金的微观形貌图；
具体实施方式
27.下面结合附图1-7和具体实施方式对本发明进行详细说明。下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的j9九游会真人的解决方案所必需的。
28.实施例1
29.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.5at％、co 16.5at％、cr 16.5at％、al 16.5at％、ni 34at％、sic 0wt％及不可避免的杂质。
30.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金的制备方法，具体步骤如下：
31.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.5at％、co 16.5at％、cr 16.5at％、al 16.5at％、ni 34at％和不可避免的杂质，称量原
料成分；
32.(2)将原料置于磁悬浮感应炉，然后抽真空到真空度3
×
10-3
～5
×
10-3
pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持5
×
10-3
mpa；
33.(3)对磁悬浮感应炉中的原料进行合金熔炼，熔炼电流为300a，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼4min，经冷却得到合金铸锭；
34.(4)将步骤(3)所得合金溶液通过电磁感应搅拌，重复步骤(3)，得到高强高塑共晶高熵合金；
35.(5)对步骤(4)处理完的合金进行xrd分析，可知合金由fcc和bcc相组成，图1所示；
36.(6)对步骤(4)处理完的合金进行sem形貌分析，可知合金中白色衬度为fcc相，黑色衬度为bcc相，两相呈共晶组织特征，图2所示；
37.(7)对步骤(4)处理完的合金进行室温和高温拉伸试验，结果如表2所示，合金室温抗拉强度为964mpa，屈服强度为581mpa，断后伸长率为9.5％；650℃抗拉强度为502mpa，屈服强度为304mpa，断后伸长率为7.5％；750℃抗拉强度为361mpa，屈服强度为202mpa，断后伸长率为10.5％；850℃抗拉强度为156mpa，屈服强度为71mpa，断后伸长率为34.5％，如图5。
38.实施例2
39.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％、sic 8wt％及不可避免的杂质。
40.一种高强高塑共晶高熵合金，其具体制备方法如下：
41.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％和50μm尺寸的sic 8wt％不可避免的杂质，称量原料成分；
42.(2)将原料置于磁悬浮感应炉，然后抽真空到真空度4
×
10-3
pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持1
×
10-2
mpa；
43.(3)对磁悬浮感应炉内的原料进行合金熔炼，熔炼电流为450a，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼5min，经冷却得到合金铸锭；
44.(4)将步骤(3)所得合金溶液通过电磁感应搅拌，重复步骤(3)，得到高强高塑共晶高熵合金，合金主要由fcc相和bcc相组成组成，合金中未见明显的sic颗粒；
45.(5)对步骤(4)处理完的合金进行室温及高温拉伸试验，合金室温抗拉强度为1120mpa，屈服强度为420mpa，断后伸长率为20％；650℃抗拉强度为520mpa，屈服强度为460mpa，断后伸长率为5％；750℃抗拉强度为370mpa，屈服强度为310mpa，断后伸长率为7％；850℃抗拉强度为140mpa，屈服强度为120mpa，断后伸长率为42％。加入sic颗粒后，合金室温强度及塑性均提高。
46.实施例3
47.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％、sic 6wt％及不可避免的杂质。
48.一种本发明公开的基于sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金，其具体制备方法如下：
49.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％和50μm尺寸的sic 6wt％不可避免的杂质，称量原料成分；
50.(2)将原料置于磁悬浮感应熔炼炉，然后抽真空到真空度4
×
10-3
pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持1
×
10-2
mpa；
51.(3)对磁悬浮感应炉内的原料进行合金熔炼，熔炼电流为450a，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼5min，经冷却得到合金铸锭；
52.(4)将步骤(3)所得合金溶液通过电磁感应搅拌，重复步骤(3)，得到高温高熵合金，所得合金xrd结果(图3)可知，合金主要由fcc相和bcc相组成组成，且fcc相峰强远高于bcc相，证明生成更多fcc相。结合sem微观形貌(如图4)，可见fcc相(白色)和bcc相(黑色)，且fcc相所占比例远高于bcc相，合金中未见sic颗粒；
53.(5)对步骤(4)处理完的合金进行室温及高温拉伸试验，结果如表1所示，合金室温抗拉强度为1018mpa，屈服强度为407mpa，断后伸长率为18％；650℃抗拉强度为501mpa，屈服强度为449mpa，断后伸长率为3.5％；750℃抗拉强度为358mpa，屈服强度为297mpa，断后伸长率为5.5％；850℃抗拉强度为129mpa，屈服强度为108mpa，断后伸长率为40.5％；密度为7.42g/cm3，如图6。加入sic颗粒后，合金室温强度及塑性均提高，高温屈服强度也有一定提升。
54.实施例4
55.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％、sic 3wt％及不可避免的杂质。
56.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，其具体制备方法如下：
57.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％和50μm尺寸的sic 3wt％不可避免的杂质，称量原料成分；
58.(2)将原料置于磁悬浮感应炉，然后抽真空到真空度4
×
10-3
pa后，充入高纯氩气使炉内气压保持1
×
10-2
mpa；
59.(3)对磁悬浮感应炉内的原料进行合金熔炼，熔炼电流为450a，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼5min，经冷却得到合金铸锭；
60.(4)将步骤(3)所得合金溶液通过电磁感应搅拌，重复步骤(3)，得到高温高熵合金，所得合金sem微观形貌(如图7)，可见fcc相(白色)和bcc相(黑色)，且fcc相所占比例远高于bcc相，但是fcc所占比例小于实施例二中fcc在合金中所占比例，证明sic能够促进fcc相产生。且sic越多，fcc相所占比例越多。合金中仍未见明显的sic颗粒；
61.(5)合金室温抗拉强度为990mpa，屈服强度为395mpa，断后伸长率为16％；650℃抗拉强度为490mpa，屈服强度为430mpa，断后伸长率为2.5％；750℃抗拉强度为345mpa，屈服
强度为285mpa，断后伸长率为3.5％；850℃抗拉强度为115mpa，屈服强度为97mpa，断后伸长率为38.5％。
62.实施例1-4数据对比如表1所示，从表1数据中可以看出，本发明合金(实施例2制备的合金)在高温下的综合力学性能优于普通高熵合金(实施例1制备的合金)。这证明，加入的sic颗粒能够促进fcc相生成，且合金内部不含大量sic颗粒。一方面，fcc相提高合金塑性；另一方面，合金中不含大量sic颗粒能够提高合金强度的同时，不降低合金塑性。
63.实施例5
64.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％、sic 6wt％及不可避免的杂质。
65.一种本发明公开的基于sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金，其具体制备方法如下：
66.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％和50μm尺寸的sic 6wt％不可避免的杂质，称量原料成分；
67.(2)将原料置于电子束熔炼炉，然后抽真空到真空度4
×
10-3
pa；
68.(3)对电子束熔炼炉内的原料进行合金熔炼，熔炼功率为100kw，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼5min，经冷却得到合金铸锭；
69.(4)重复步骤(3)，得到高温高熵合金，所得合金xrd结果可知，合金主要由fcc相和bcc相组成组成，且fcc相峰强远高于bcc相，证明生成更多fcc相，合金中未见sic颗粒；
70.(5)对步骤(4)处理完的合金进行室温拉伸试验，结果如表1所示，合金室温抗拉强度为1000mpa，屈服强度为400mpa，断后伸长率为16％；650℃抗拉强度为497mpa，屈服强度为440mpa，断后伸长率为3.3％；750℃抗拉强度为350mpa，屈服强度为290mpa，断后伸长率为5.3％；850℃抗拉强度为125mpa，屈服强度为105mpa，断后伸长率为39％。加入sic颗粒后，合金室温强度及塑性均提高，高温屈服强度也有一定提升。
71.实施例6
72.一种基于sic颗粒诱导强化高强高塑共晶高熵合金，包括fe、co、cr、ni、al元素以及sic颗粒，所述合金成分为：fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％、sic 6wt％及不可避免的杂质。
73.一种本发明公开的基于sic诱导强化高强高塑共晶高熵合金，其具体制备方法如下：
74.(1)选取纯度高于99.5％的fe、co、cr、ni、al作为冶金原料，用砂纸打磨冶金原料表面的氧化物表皮，并放入工业级乙醇中超声清洗20min，烘干后，按照原子分数fe 16.4at％、co 16.4at％、cr 16.4at％、al 16.4at％、ni 33at％和50μm尺寸的sic 6wt％不可避免的杂质，称量原料成分；
75.(2)将原料置于电弧熔炼炉，然后抽真空到真空度4
×
10-3
pa后；
76.(3)对电弧熔炼炉内的原料进行合金熔炼，起弧电流200a，熔炼电流为450a，待铜坩埚内原料完全熔融成液态后，保持熔炼5min，经冷却得到合金铸锭；
77.(4)将步骤(3)所得合金铸锭翻转，重复步骤(3)，得到高温高熵合金，所得合金xrd结果可知，合金主要由fcc相和bcc相组成组成，且fcc相峰强远高于bcc相，证明生成更多fcc相，合金中未见sic颗粒；
78.(5)对步骤(4)处理完的合金进行室温拉伸试验，结果如表1所示，合金室温抗拉强度为1005mpa，屈服强度为403mpa，断后伸长率为17％；650℃抗拉强度为499mpa，屈服强度为442mpa，断后伸长率为3.4％；750℃抗拉强度为353mpa，屈服强度为293mpa，断后伸长率为5.4％；850℃抗拉强度为128mpa，屈服强度为106mpa，断后伸长率为40％。加入sic颗粒后，合金室温强度及塑性均提高，高温屈服强度也有一定提升。
79.表1实施例1-6所制备的合金的性能测试数据表
[0080][0081]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。