一种高强度高塑性的多主元梯度合金及其制备方法与流程

本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种高强度高塑性的多主元梯度合金及其制备方法。

背景技术：

传统合金材料是根据需要将一种或几种材料加入另一基体形成的合金材料，从而获得目标性的合金。随着科学技术的发展，对合金的性能要求越来越高，传统的合金已无法满足日益增长的性能需求，传统合金的相关研究与发展已经趋于饱和。高熵合金是由五种或五种以上组元以等原子比或者接近等原子比混合而成成的单相固溶体。高熵合金具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、高温力学性能好等优异性能。

过去几十年的广泛研究表明，与粗粒金属/合金相比，纳米结构和超细晶粒金属/合金具有显著的物理和机械性能，特别是在强度和硬度方面。然而纳米结构和超细颗粒的优异机械性能是以牺牲其塑性为代价的。通过表面纳米化处理可以在有强度提高的同时塑性下降较少，表面纳米化即只在材料表面进行变形量较小的塑性变形，材料表面发生塑性变形，材料内部不受变形的影响仍然是粗晶组织。常用的表面纳米化方法有表面机械磨损处理、高能喷丸、超声喷丸以及超声表面处理等方法。这些表面纳米化方法处理的表面通常表层表面质量较差，性能不稳定，阻碍了工业的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高强度高塑性的多主元梯度合金及其制备方法，以解决传统合金高强度和高塑性不能共存的问题。

本发明采用以下技术方案：一种高强度高塑性的多主元梯度合金的制备方法，由以下步骤组成：

以金属颗粒为配料，采用真空电弧熔炼法，制备出合金铸锭；

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，热轧处理中温度为1100℃；

将合金板材滑动摩擦处理后得到梯度合金板材；

将梯度合金板材经过热处理后得到梯度合金；

热处理的处理时间为10分钟，温度为500℃，保护气体为氩气。

进一步地，金属颗粒为钴、铬和镍的混合物，且其混合物中钴、铬和镍的比例为1:1:1。

进一步地，金属颗粒为铁、锰、钴和铬的混合物，混合物中铁、锰、钴和铬的比例为40:40:10:10。

进一步地，滑动摩擦处理的滑动摩擦范围为60mm×180mm，循环次数为100次，滑动压力为500n，滑动速度为vx＝0.2m/s，每次滑动平移距离为0.1mm。

进一步地，真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气。

进一步地，合金板材厚度为2-6mm。

进一步地，采用的金属颗粒为钴、铬和镍，由以下步骤组成：

制备合金板材，将纯度为99.99wt％的金属颗粒以等原子比配料，即钴、铬和镍的配比为1:1:1，用真空电弧熔炼法，真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出cocrni合金铸锭；

热轧处理，将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为2mm，热轧处理中温度为1100℃，制备得出的cocrni梯度合金板材的强度为250mpa，塑性为88％；

滑动摩擦处理，滑动摩擦工艺条件为：滑动摩擦范围：60mm×180mm，滑动循环次数：100次，滑动压力：500n，滑动速度：vx＝0.2m/s，每次滑动平移距离：0.1mm；

制备得出的cocrni梯度合金的强度为700mpa，塑性为56％；

短程热处理，短程热处理工艺条件为：保护气体：氩气，温度：500℃，时间：10分钟；

制备得出的cocrni梯度合金的强度为1000mpa，塑性为57％。

进一步地，采用的金属颗粒为钴、铬和镍，由以下步骤组成：

制备合金板材，将纯度为99.99wt％的金属颗粒以等原子比配料，即钴、铬和镍的配比为1:1:1，用真空电弧熔炼法，用真空电弧熔炼法，制备出单相cocrni合金铸锭。真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出cocrni合金铸锭；

热轧处理，将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为5mm，热轧处理中温度为1100℃，制备得出的cocrni梯度合金板材的强度为250mpa，塑性为88％；

滑动摩擦处理，滑动摩擦工艺条件为：滑动摩擦范围：60mm×180mm，滑动循环次数：100次，滑动压力：500n，滑动速度：vx＝0.2m/s，每次滑动平移距离：0.1mm；

制备得出的cocrni梯度合金的强度为560mpa，塑性为72％；

短程热处理，短程热处理工艺条件为：保护气体：氩气，温度：500℃，时间：10分钟；

制备得出的cocrni梯度合金的强度为800mpa，塑性为73％。

本发明还公开了一种高强度高塑性的梯度合金，由上述所制备得出的梯度合金，梯度合金的强度为570-1000mpa，塑性为57-88％。

本发明的有益效果是：利用本发明制备出的梯度合金具有高强度和高塑性的优点；本申请选择滑动摩擦的方法，其工艺比传统方法更简单，更便于操作，且耗时短，可以制备大块板材；本申请制备出的梯度合金是梯度纳米结构，材料表面是平均晶粒尺寸为几十纳米的纳米晶变形区域，随着深度的增加平均晶粒尺寸也随之增加；材料中心的未变形区组织为初始态的等轴晶，其平均晶粒尺寸为几百微米；本发明采用短程热处理的优点在于，滑动摩擦完短程热处理过程中，梯度合金板材会先析出一种强化相，提升cocrni合金的强度，随着热处理时间的延长，这种强化相会溶解或者长大，力学性能退化，与现有技术中的热处理相比，现有技术热处理的时间为2小时以上，这种强化相会溶解或者长大，而在本申请中这种强化相不会溶解或者长大，力学性能不会退化，这种强化相的存在就会进一步提高cocrni合金的强度和塑性。

【附图说明】

图1为本发明的实例1制备的高强度、高塑性的cocrni梯度合金的拉伸曲线；

图2为本发明的实例1中滑动摩擦后热处理的拉伸曲线；

图3位本发明的实例1cocrni梯度合金截面金相图像。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种高强度高塑性的多主元梯度合金及其制备方法，由以下步骤组成：

以金属颗粒为配料，采用真空电弧熔炼法，制备出合金铸锭；真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，板材厚度为大于2.5mm，保护气体为氩气；

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，热轧处理中温度为1100℃；

将合金板材滑动摩擦处理后得到梯度合金板材；滑动摩擦处理的滑动摩擦范围为60mm×180mm，循环次数为100次，滑动压力为500n，滑动速度为vx＝0.2m/s，每次滑动平移距离为0.1mm。

将梯度合金板材经过热处理后得到梯度合金；热处理的处理时间为10分钟，温度为500℃，保护气体为氩气。

本发明还公开了一种高强度高塑性的多主元梯度合金，由上述方法制备得出的梯度合金，cocrni梯度合金在室温下的最佳力学性能中强度为570-1000mpa，塑性为57-88％，cocrni梯度合金在低温条件下的力学性能优于其他高熵合金和常规的合金，这种合金的显著性能主要是由于形变孪晶和形变诱导相变的形成。除了优异的低温性能外，与其他高合金和常规合金相比，cocrni合金还具有较高的摩擦应。

实施例1

本实施例采用的金属颗粒为钴、铬和镍，由以下步骤组成：

步骤1：制备合金板材

将纯度为99.99wt％的金属颗粒以等原子比配料，即钴、铬和镍的配比为1:1:1，用真空电弧熔炼法，真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出cocrni合金铸锭。

步骤2：热轧处理

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为2mm，热轧处理中温度为1100℃。

制备得出的cocrni梯度合金的强度为250mpa，塑性为88％。

步骤3：滑动摩擦处理

滑动摩擦工艺条件为：

滑动摩擦范围：60mm×180mm

滑动循环次数：100次

滑动压力：500n

滑动速度：vx＝0.2m/s

每次滑动平移距离：0.1mm

制备得出的cocrni梯度合金的强度为700mpa，塑性为56％；

步骤4：短程热处理

短程热处理工艺条件为：

保护气体：氩气

温度：500℃

时间：10分钟

如图1、2和3所示，制备得出的cocrni梯度合金的强度为1000mpa，塑性为57％。

采用短程热处理的优点在于，滑动摩擦完短程热处理过程中，梯度合金板材会先析出一种强化相，提升cocrni合金的强度，随着热处理时间的延长，这种强化相会溶解或者长大，力学性能退化，与现有技术中的热处理相比，现有技术热处理的时间为2小时以上，这种强化相会溶解或者长大，而在本申请中这种强化相不会溶解或者长大，力学性能不会退化，这种强化相的存在就会进一步提高cocrni合金的强度和塑性。

实施例2

本实施例采用的金属颗粒为钴、铬和镍，由以下步骤组成：

步骤1：制备合金板材

将纯度为99.99wt％的金属颗粒以等原子比配料，即钴、铬和镍的配比为1:1:1，用真空电弧熔炼法，用真空电弧熔炼法，制备出单相cocrni合金铸锭。真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出cocrni合金铸锭。

步骤2：热轧处理

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为5mm，热轧处理中温度为1100℃。

制备得出的cocrni梯度合金板材的强度为250mpa，塑性为88％。

步骤3：滑动摩擦处理

滑动摩擦工艺条件为：

滑动摩擦范围：60mm×180mm

滑动循环次数：100次

滑动压力：500n

滑动速度：vx＝0.2m/s

每次滑动平移距离：0.1mm

制备得出的cocrni梯度合金的强度为560mpa，塑性为72％；

步骤4：短程热处理

短程热处理工艺条件为：

保护气体：氩气

温度：500℃

时间：10分钟

制备得出的cocrni梯度合金的强度为800mpa，塑性为73％。

采用短程热处理的优点在于，滑动摩擦完短程热处理过程中，梯度合金板材会先析出一种强化相，提升cocrni合金的强度，随着热处理时间的延长，这种强化相会溶解或者长大，力学性能退化，与现有技术中的热处理相比，现有技术热处理的时间为2小时以上，这种强化相会溶解或者长大，而在本申请中这种强化相不会溶解或者长大，力学性能不会退化，这种强化相的存在就会进一步提高cocrni合金的强度和塑性。

实施例3

本实施例采用的金属颗粒为钴、铬和镍，由以下步骤组成：

步骤1：制备合金板材

将纯度为99.99wt％的金属颗粒以等原子比配料，即钴、铬和镍的配比为1:1:1，用真空电弧熔炼法，用真空电弧熔炼法，制备出单相cocrni合金铸锭。真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出cocrni合金铸锭。

步骤2：热轧处理

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为6mm，热轧处理中温度为1100℃。

制备得出的cocrni梯度合金板材的强度为250mpa，塑性为88％。

步骤3：滑动摩擦处理

滑动摩擦工艺条件为：

滑动摩擦范围：60mm×180mm

滑动循环次数：100次

滑动压力：500n

滑动速度：vx＝0.2m/s

每次滑动平移距离：0.1mm

制备得出的cocrni梯度合金的强度为400mpa，塑性为87％；

步骤4：短程热处理

短程热处理工艺条件为：

保护气体：氩气

温度：500℃

时间：10分钟

制备得出的cocrni梯度合金的强度为570mpa，塑性为88％。

采用短程热处理的优点在于，滑动摩擦完短程热处理过程中，梯度合金板材会先析出一种强化相，提升cocrni合金的强度，随着热处理时间的延长，这种强化相会溶解或者长大，力学性能退化，与现有技术中的热处理相比，现有技术热处理的时间为2小时以上，这种强化相会溶解或者长大，而在本申请中这种强化相不会溶解或者长大，力学性能不会退化，这种强化相的存在就会进一步提高cocrni合金的强度和塑性。

实施例4

本实施例采用的金属颗粒为铁、锰、钴和铬，制备得出一种高强度高塑性的fe40mn40co10cr10梯度高熵合金，由以下步骤组成：

步骤1：制备合金板材

以纯度为99.99wt％的金属颗粒为配料，金属颗粒为铁、锰、钴和铬的混合物，铁、锰、钴和铬的比例为40:40:10:10，用真空电弧熔炼法，制备出fe40mn40co10cr10合金铸锭，真空电弧熔炼的工艺条件中熔炼次数为5次，保护气体为氩气，制备出fe40mn40co10cr10合金铸锭。

步骤2：热轧处理

将合金铸锭进行热扎处理后得到合金板材，板材厚度为2.5mm，热轧处理中温度为1100℃。

制备得出的fe40mn40co10cr10梯度合金。

步骤3：滑动摩擦处理

滑动摩擦工艺条件为：

滑动摩擦范围：60mm×180mm

滑动循环次数：100次

滑动压力：500n

滑动速度：vx＝0.2m/s

每次滑动平移距离：0.1mm

步骤4：短程热处理

短程热处理工艺条件为：

保护气体：氩气

温度：500℃

时间：10分钟

制备得出的fe40mn40co10cr10梯度合金

采用短程热处理的优点在于，滑动摩擦完短程热处理过程中，梯度合金板材会先析出一种强化相，提升fe40mn40co10cr10合金的强度，随着热处理时间的延长，这种强化相会溶解或者长大，力学性能退化，与现有技术中的热处理相比，现有技术热处理的时间为2小时以上，这种强化相会溶解或者长大，而在本申请中这种强化相不会溶解或者长大，力学性能不会退化，这种强化相的存在就会进一步提高fe40mn40co10cr10合金的强度和塑性。