一種製備Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法與流程

2023-11-07 04:29:22 1

本發明屬於高熵合金材料的製備領域，具體涉及一種利用感應加熱設備和中間合金原料製備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法。
背景技術：
：高熵合金以其獨特的合金設計理念和優異的性能吸引了廣大科研人員的關注。高的混合熵促使高熵合金凝固後表現為簡單的面心立方(FCC)、體心立方(BCC)等固溶體結構。獨特的結構使高熵合金在眾多方面擁有優異的性能，具有廣闊的應用前景。例如，高熵合金固溶體結構在高溫時具有好的熱穩定性和強度，這一特性使其有望在航空發動機、輪船發動機、超超臨界電站鍋爐關鍵金屬部件等領域得到應用；高熵合金中的某些元素可以形成緻密的氧化膜，有利於開發出高溫耐氧化和高溫耐腐蝕的塗層材料。高熵合金擁有巨大的工程應用前景，然而其工程化應用研究卻受限制於大體積合金錠的製備。目前高熵合金的製備方法主要分為以下五類，分別是：真空熔煉法、粉末冶金法、機械合金化法、雷射熔覆法以及電化學沉積法。真空熔煉法是大多數研究者製備高熵合金所採用的方法，其主要工藝為：將一定比例的純金屬放入坩堝，然後於真空爐中反覆抽真空後充入氬氣作為保護氣體，待全部均勻熔化後於水冷銅模中澆鑄成型。粉末冶金法是一種以金屬或非金屬粉末為原料，經過壓製成型、燒結，製造金屬材料的一種工藝。機械合金化法是利用高能球磨機或研磨機對合金粉末進行長時間的激烈衝擊碰撞，使粉末顆粒反覆產生冷焊、斷裂，導致粉末顆粒中原子擴散，實現固態合金化的一種方法。雷射熔覆技術主要用來製備高熵合金塗層。該方法利用高能雷射束輻照鋪設在基材表面的熔覆材料，通過迅速熔化、擴展和凝固來實現在基材表面形成熔覆層。而電化學沉積主要用於製備高熵合金薄膜，實際研究較少。以上五種方法均實現了高熵合金的製備，但無論是利用上述五種方法抑或是別的特殊方法，目前製備大體積高熵合金的報導極少，這與高熵合金多主元的特點有關。高熵合金各主元元素之間熔點差異大，低熔點的元素比如Al在高熔點元素熔化前存在嚴重揮發。另外，多主元特點使得成分均勻性成為大體積高熵合金製備的另外一個難點。目前，學者們多採用真空電弧熔煉獲得重量為幾十克的紐扣錠或幾十克的板狀鑄錠、棒狀鑄錠。基於小鑄錠的相關實驗大多停留在合金元素添加、熱處理、冷軋等，力學性能研究也停留在硬度測試、壓縮實驗、非標樣的拉伸實驗等，嚴重阻礙了高熵合金的工程化應用研究。國外研究者中，有學者通過真空電弧熔煉獲得了重475gCoCrFeMnNi高熵合金(F.Otto,et.al.TheinfluencesoftemperatureandmicrostructureonthetensilepropertiesofaCoCrFeMnNihigh-entropyalloy,ActaMaterialia61(2013)5743-5755)。北京科技大學呂昭平等人利用真空感應加熱，在BN坩堝中熔煉了2.5kgAlCoCrFeNi2.1高熵合金，並將其澆鑄到MgO模具中，得到重約2.5kg的AlCoCrFeNi2.1高熵合金，進而利用鑄錠進行了標準試樣的拉伸。本發明通過合理設計高熵合金熔煉工藝，採用中間合金為原料，基於真空感應加熱方法，成功製備出大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金，經過成分、組織以及物相分析，驗證了高熵合金鑄錠的組織均勻性與成分均勻性，為高熵合金的工程化應用打下了堅實的基礎。技術實現要素：為克服現有技術中存在的不能製備大體積高熵合金的不足，本發明提出了一種製備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法。本發明的具體過程是：步驟1，表面處理。所述表面處理是對FeCoCr及Ni2Al中間合金的表面打磨處理。所述表面處理時，將塊狀FeCoCr表面和塊狀Ni2Al表面打磨乾淨，並置於丙酮溶液中超聲波清洗10min烘乾。根據所製備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質量比為2.3105:1；稱取FeCoCr與Ni2Al。步驟2，爐體預熱。所述爐體預熱時，在真空感應熔煉爐的坩堝內加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預熱體。對加入有預熱體的真空感應熔煉爐抽真空至15Pa送電預熱，具體是，通電功率為10kW並保持10～15min；保持結束後將通電功率調整為20kW並保持20～30min；保持結束後繼續將通電功率調整為25kW保持1h。步驟3，裝料。步驟4，造型與烘型。造型完成後，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預熱，預熱溫度400～450℃，預熱時間4～6h。待預熱結束後，將砂箱轉移到熔煉爐體內。步驟5，洗爐。所述洗爐時，對裝入砂箱的真空感應熔煉爐抽真空。當真空度5～10Pa時關閉真空泵，對熔煉室內充入氬氣使爐內壓力至0.05～0.06MPa。關閉充氬氣閥門，保持1～3min後打開真空泵，繼續抽真空至5～10Pa關閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內壓力達到0.05～0.06MPa，關閉充氬氣閥門。如此再循環兩次後維持氬氣壓力0.05～0.06MPa。步驟6，真空感應熔煉。在真空感應熔煉爐內氬氣壓力0.05～0.06MPa下，調整該真空感應熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫至1500～1550℃，保溫20～30min。步驟7，澆鑄。保溫結束後，採用重力澆鑄方式進行澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐。澆鑄完成後，砂箱在爐內氬氣保護狀態下保持10～12h後打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂。鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之後利用吹砂機吹砂，清除汙漬，最終得到Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。本發明摒棄了單質原料，轉而採用中間合金為原料，極大地降低了低熔點元素Al在熔煉過程中的揮發。同時採用真空感應加熱設備，利用感應加熱設備所具有的電磁攪拌效果，使鑄錠的成分均勻性得到保證。在整個熔煉、澆鑄過程中合理地設計溫度等參數，獲得了成分準確、組織均勻緻密、缺陷稀少的Al0.5CoCrFeNi高熵合金大體積鑄錠。現有技術中的傳統熔煉方法由於採用金屬單質為原料，高熔點金屬與低熔點金屬之間巨大的熔點差異容易導致低熔點金屬在熔煉過程中過度揮發，使得最終合金錠成分出現偏差。本發明摒棄了單質原料轉而採用中間合金，由於Ni2Al中間合金熔點比Al單質高，而FeCoCr中間合金熔點比Cr單質低，間接減小了最低熔點金屬Al與最高熔點金屬Cr之間的熔點差，避免了低熔點Al單質在熔煉過程中的過度揮發問題。採用真空感應加熱熔煉方法，利用感應加熱中存在的電磁攪拌效果使多主元高熵合金的成分均勻性得到保證。通過合理地設計熔煉過程中的氣氛、氣壓、模具預熱溫度、熔煉溫度、保溫時間、澆鑄速度等參數，成功地製備出體積在15Kg以上的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。通過圖3可以看出，Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠不同區域的組織均勻，晶粒尺寸相近。圖4和圖5表明，Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠不同區域的組織均表現為簡單的體心立方與面心立方固溶體結構。表1中鑄錠不同區域的成分結果則表明利用該方法製備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠成分準確、均勻，Al元素揮發問題得到很好的解決。本發明以實施例一得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠為例，利用化學法測量得到的鑄錠四個不同區域的成分：其中1#樣品來自鑄錠頂端邊部，2#樣品來自鑄錠頂端心部，3#樣品來自鑄錠底端邊部，4#樣品來自鑄錠底端心部。測量結果見表一：表1.Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠合金的不同部位成分Wt.％AlCoCrFeNi名義成分5.6524.6621.7623.3724.561#5.5224.5721.8923.3524.672#5.6724.7821.6123.3524.593#5.6124.5021.9423.3124.644#5.7024.6121.8223.2624.61表1中所述的名義成分是Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠的理論成分，即根據Al0.5CoCrFeNi換算得到的成分。附圖說明圖1是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠底部外觀照片；圖2是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠側面外觀照片；圖3是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金不同區域組織照片：其中(a)、(b)、(c)分別為鑄錠頂端邊部、中部、心部的微觀組織，(d)、(e)、(f)分別為鑄錠底部邊部、中部、心部的微觀組織；圖4是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠頂端不同區域的XRD圖譜：其中曲線1代表鑄錠頂端心部XRD圖譜，曲線2代表鑄錠頂端中部XRD圖譜，曲線3代表鑄錠頂端邊部XRD圖譜；圖5是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠底端不同區域的XRD圖譜：其中曲線1代表鑄錠頂端心部XRD圖譜，曲線2代表鑄錠頂端中部XRD圖譜，曲線3代表鑄錠頂端邊部XRD圖譜；圖6是本發明的流程圖。圖中：1.鑄錠頂端心部XRD圖譜曲線；2.鑄錠頂端中部XRD圖譜曲線；3.鑄錠頂端邊部XRD圖譜曲線；4.BCC的峰值；5.FCC的峰值。具體實施方式實施例一本實施例是一種採用中間合金的FeCoCr和Ni2Al作為原料製備Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，該Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比為Al0.5CoCrFeNi。具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨乾淨。將打磨後的FeCoCr和Ni2Al置於丙酮溶液中超聲波清洗10min後置於烘乾箱中烘乾，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現金屬光澤。根據所製備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為12kg，Ni2Al為5.194kg。步驟2，爐體預熱：在真空感應熔煉爐的坩堝內加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應加熱後產生的熱量對所述真空感應熔煉爐的爐體進行預熱。對加入有預熱體的真空感應熔煉爐抽真空至15Pa送電預熱，具體是，通電功率為10kW並保持10min；保持結束後將通電功率調整為20kW並保持20min；；保持結束後繼續將通電功率調整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預熱保溫結束後，取出所述預熱體，將經過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應熔煉坩堝內。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規方法採用10～20目的上店砂造型。造型完成後，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預熱，預熱溫度為450℃，預熱時間為4h。預熱結束後，將砂箱轉移到真空感應熔煉爐內。步驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應熔煉爐抽真空。當真空度5Pa時關閉真空泵，對熔煉室內充入氬氣使爐內壓力至0.05MPa。關閉充氬氣閥門，保持1min後打開真空泵，繼續抽真空至5Pa關閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內壓力達到0.05MPa，關閉充氬氣閥門。如此再循環兩次後維持氬氣壓力0.05MPa。步驟6，真空感應熔煉：在真空感應熔煉爐內氬氣壓力0.05MPa的條件下，調整該真空感應熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1550℃，保溫20min。步驟7，澆鑄：保溫結束後澆鑄。澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成後，砂箱在真空感應熔煉爐內氬氣保護狀態下保持10h，之後打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之後利用吹砂機吹砂，清除汙漬，最終得到體積為15.57kg的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。實施例二本實施例是一種製備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨乾淨。將打磨後的FeCoCr和Ni2Al置於丙酮溶液中超聲波清洗20min後置於烘乾箱中烘乾，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現金屬光澤。根據所製備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為15kg，Ni2Al為6.492kg。步驟2，爐體預熱：在真空感應熔煉爐的坩堝內加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應加熱後產生的熱量對所述真空感應熔煉爐的爐體進行預熱。對加入有預熱體的真空感應熔煉爐抽真空至15Pa送電預熱，具體是，通電功率為10kW並保持15min；保持結束後將通電功率調整為20kW並保持30min；；保持結束後繼續將通電功率調整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預熱保溫結束後，取出所述預熱體，將經過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應熔煉坩堝內。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規方法採用10～20目的上店砂造型。造型完成後，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預熱，預熱溫度為400℃，預熱時間為6h。預熱結束後，將砂箱轉移到真空感應熔煉爐內。驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應熔煉爐抽真空。當真空度10Pa時關閉真空泵，對熔煉室內充入氬氣使爐內壓力至0.06MPa。關閉充氬氣閥門，保持2min後打開真空泵，繼續抽真空至10Pa關閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內壓力達到0.06MPa，關閉充氬氣閥門。如此再循環兩次後維持氬氣壓力0.06MPa。步驟6，真空感應熔煉：在真空感應熔煉爐內氬氣壓力0.06MPa的條件下，調整該真空感應熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1500℃，保溫30min。步驟7，澆鑄：澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成後，砂箱在真空感應熔煉爐內氬氣保護狀態下保持12h，之後打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之後利用吹砂機吹砂，清除汙漬，最終得到18.75kg的大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。實施例三本實施例是一種製備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨乾淨。將打磨後的FeCoCr和Ni2Al置於丙酮溶液中超聲波清洗15min後置於烘乾箱中烘乾，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現金屬光澤。根據所製備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為12kg，Ni2Al為5.194kg。步驟2，爐體預熱：在真空感應熔煉爐的坩堝內加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應加熱後產生的熱量對所述真空感應熔煉爐的爐體進行預熱。對加入有預熱體的真空感應熔煉爐抽真空至15Pa送電預熱，具體是，通電功率為10kW並保持12min；保持結束後將通電功率調整為20kW並保持25min；；保持結束後繼續將通電功率調整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預熱保溫結束後，取出所述預熱體，將經過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應熔煉坩堝內。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規方法採用10～20目的上店砂造型。造型完成後，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預熱，預熱溫度為425℃，預熱時間為5h。預熱結束後，將砂箱轉移到真空感應熔煉爐內。步驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應熔煉爐抽真空。當真空度8Pa時關閉真空泵，對熔煉室內充入氬氣使爐內壓力至0.055MPa。關閉充氬氣閥門，保持3min後打開真空泵，繼續抽真空至8Pa關閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內壓力達到0.055MPa，關閉充氬氣閥門。如此再循環兩次後維持氬氣壓力0.055MPa。步驟6，真空感應熔煉：在真空感應熔煉爐內氬氣壓力0.055MPa的條件下，調整該真空感應熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1530℃，保溫25min。步驟7，澆鑄：澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成後，砂箱在真空感應熔煉爐內氬氣保護狀態下保持11h，之後打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之後利用吹砂機吹砂，清除汙漬，最終得到體積為15.267kg的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp