[發明專利]一種非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202110409131.5
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113151727B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 喬珺威;劉丹;楊慧君;晉璽;張敏
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/02;C22F1/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開了一種非等原子比Fe?Mn?Cr?Ni?Al系高熵合金及其制備方法，屬于合金技術領域。該高熵合金各元素摩爾比為：Fe：Mn：Cr：Ni：Al=（45?x）：15：15：25：x，其中x取值為0、5或13。具體制備方法包括洗料、鑄造、熱處理和機械加工等。本發明通過簡單熱力學相圖計算確定高熵合金成分，其晶體結構從面心立方逐步向體心立方轉變，可以發揮高熵合金多種強化效應，擁有良好的室溫強度和塑性變形能力；在低溫下，不僅單相面心立方合金具有優異的力學性能，雙相合金同樣有強塑性同時提升的驚喜表現；與高錳鋼相比，該合金系在保持成本的同時可以提升耐腐蝕性，與一般不銹鋼比，擁有較好的力學性能。

技術領域

本發明涉及一種非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金及其制備方法，屬于合金技術領域。

背景技術

人類的發展史，一定層面上可以看成工具的發展史、材料的發展史。而金屬材料從青銅器時期開始變得尤為重要，帶動經濟的突飛猛進。青銅的冶煉方式簡單，只是在純銅中混入錫或鉛形成合金，但這種合金化的理念是一個劃時代的標志。這些合金的設計遵循的理念是：以一種元素為主要元素、通過微量添加其他元素作為合金化元素，以提高合金性能。在這一理念的指導下，隨微量添加的元素種類增多，金屬材料所開發的合金體系越來越復雜，但微量添加的元素原子百分比基本控制在5%以內。設計的約束，同時也束縛了合金性能的可能性。隨著社會的快速發展，很多領域亟需高性能的材料。例如：用于航天推進器的耐高溫合金、潛水艦艇的耐腐蝕且抗壓的合金、坦克外體的高強合金、電子行業的柔性磁電材料等。在傳統合金設計理念的指導下，合金的開發基本已達到極限，合金所具備的性能有一定的局限性，很難取得突破性的進展。

“惟進取也，故日新”。在國家大力提倡可持續發展戰略的大背景下，急需發展同時具有高強度、高塑性、高的耐腐蝕性并且低成本的材料，在滿足社會生產、生活需要的同時，達到增加材料的使用壽命、節約資源、保護環境的目的。綜合以上兩點，高熵合金概念應運而生。高熵合金打破傳統合金設計思路，提出多主元簡單結構的新合金體系，拓寬合金設計范圍，同時可能發展更廣泛的合金性能。目前高熵合金的研究已經表明，可以實現高強度、高硬度、優異的耐蝕性和熱穩定性、突出的的抗疲勞強度及斷裂強度、強耐輻射性等優異的綜合性能。進一步來看，高熵合金基礎研究百花齊放，但是我們仍然需要回歸于工程應用。因此，需要在更廣泛的領域里選擇可以滿足實際應用的潛在合金。

發明內容

本發明旨在提供一種非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金及其制備方法，使用常用合金元素，開發高性價比的非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金，拓展合金范圍，拓寬性能，可以為工業化生產和應用奠定基礎。

本發明中的合金成分借助高熵新理念，設計不含能源型元素的富鐵高熵合金，更輕質且防腐蝕。其不僅可以形成簡單穩定的相結構，而且在經濟成本上可控，同時兼具優良的綜合力學性能，也滿足基本的抗氧化、防腐蝕要求。本發明中易鈍化元素(如Cr、 Ni、Al)的添加,能夠使合金具有令人滿意的耐蝕性能。最終設計的合金系表現出優良的綜合性能，且保持高熵合金的簡單相結構，低溫性能優勢更是值得關注。

本發明熔煉過程中考慮Mn元素的氧化性和揮發性，要在熔煉前酸洗，并另外補償5wt.%質量比的錳元素，以保證與名義成分相符。本發明制備工藝包括熱處理和機械加工，熱處理主要包括預備均勻化處理和加工后退火處理，機械加工是指室溫冷軋變形。該合金系有望作為潛在的工程材料應用。

本發明提供了一種非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金，其中各元素摩爾比為：Fe：Mn：Cr：Ni：Al = （45-x）：15：15：25：x，其中x取值為0、5或13。

上述原材料中，純Fe、純Ni、純Cr、純Mn、純Al的純度均大于99.9%，而且確保去除表面氧化皮，超聲洗凈雜質，烘干后熔煉。

本發明提供了一種Fe-Mn-Cr-Ni-Al系高熵合金的制備方法，包括以下步驟：