一种CoFeNi2VZrx共晶高熵合金及其制备方法与流程

本发明属于共晶高熵合金及其制备技术领域，涉及一种cofeni2vzrx共晶高熵合金，本发明还涉及该cofeni2vzrx共晶高熵合金及其制备方法。

背景技术

高熵合金被认为是近几十年来合金化理论的三大突破之一，它打破了传统合金的设计思维：采用五种或者五种以上的元素以等摩尔比或者近等摩尔比的形式来设计合金，且各元素的含量控制在5％～35％之间，这使得其形成的高熵固溶体合金在耐磨材料、硬质合金和高温合金方面有着潜在应用价值。

随着研究的深入进行，大量的研究表明在高熵合金中普遍存在着这样的规律：单相软的fcc结构的高熵合金有着良好的塑性而强度不足，单相硬的bcc结构或者含有硬质相金属间化合物的高熵合金有着较高的强度而塑性差，如果合金可以拥有fcc和bcc或者硬质金属间化合物双相结构，那么就能达到塑性和强度的平衡。大连理工大学专利号为201710891492.1(cn107557643a)的专利发明了一种cofexniyv0.5nbz高熵合金，专利中的cofeni2v0.5nb0.75高熵合金拥有fcc和fe2nb双相微观组织，获得了高硬度和良好的耐磨性，然而其不能把强度和塑性良好的结合。

文献(l.jiang,z.q.cao,j.c.jie,j.j.zhang,y.p.lu,t.m.wang,t.j.li,effectofmoandnielementsonmicrostructureevolutionandmechanicalpropertiesofthecofenixvmoyhighentropyalloys,journalofalloysandcompounds649(2015)585-590)中报道的cofenivmo0.6和cofeni1.4vmo共晶高熵合金，其均有较高的屈服和断裂强度(接近2000mpa)，然而几乎没有塑性变形(压缩变形量小于5％)，其仍然没有解决在高熵合金中存在的塑性和强度可以良好并存的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种cofeni2vzrx共晶高熵合金，解决了现有合金中存在的强度和塑性不共存的问题，该合金拥有由fcc固溶体和硬的金属间化合物两相共晶的微观组织，达到塑性和强度的平衡。

本发明所采用的技术方案是，一种cofeni2vzrx共晶高熵合金，其组成元素co、fe、ni、v、zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:x，其中x＝0.5～0.6(摩尔比)。

本发明的另一目的是，提供该cofeni2vzrx共晶高熵合金的制备方法。

本发明的另一技术方案是，一种cofeni2vzrx共晶高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对原料进行前处理；

步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.5～0.6的比例称取原料co、fe、ni、v和zr单质金属；

步骤3，熔炼，制备cofeni2vzrx共晶高熵合金。

本发明的特点还在于

所述的步骤1具体方法为，对co块、fe棒、ni块进行打磨，并分别置于不同的烧杯中，另外将v片和zr棒分别置于不同的烧杯中。然后，再倒入一定量的酒精，超声波清洗15～20分钟，以去除原料表面的氧化皮和杂质。然后再将清洗后的原料用吹风机吹干，得到处理干净的co、fe、ni、v及zr原料。

所述的步骤2具体为，高纯co块、fe棒、ni块、v片及zr棒的纯度不低于99.9wt％。

所述的步骤3具体方法为：

步骤3.1，将步骤2中称取的待熔炼的金属原料按照熔点从低到高从下往上依次放入水冷铜坩埚内，将电弧炉工作腔抽真空至7.0×10^-3pa～5.0×10^-3pa，再通入高纯氩气作为保护气体，使炉内氩气压力达到0.05～0.06mpa；

步骤3.2，开始电弧熔炼，熔化电流为420～470a，待混合物全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需的电流为12～14a，保持8～10min后，冷却合金液，得到初次铸锭。

步骤3.3，通过机械手将铸锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为420～470a，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为12～14a，保持8～10min后，冷却合金液，得到第二次铸锭；

步骤3.4，重复步骤3.3三次，最终得到组织成分均匀的cofeni2vzrx共晶高熵合金的铸锭。

本发明的有益效果是，本发明制备的cofeni2vzrx共晶高熵合金，其组织为fcc固溶体和硬的金属间化合物两相共晶，将有效平衡其塑性和强度。其中，锆的加入对于合金产生以下有益效果：第一，元素zr为五个元素中原子半径最大的元素，zr的添加会导致合金中产生强的晶格畸变，提高合金的硬度和强度。第二，通常fcc固溶体相对其它的bcc或hcp结构的相具有更好的塑性，因而塑性和强度能够达到很好的平衡。

本发明的xrd图谱以实施例1制备的cofeni2vzr0.55共晶高熵合金为例，合金由fcc相(cofeniv相：co:20.00,fe:24.29,ni:28.45,v:27.26(at.％))和金属间化合物ni7zr2(ni:50.07,zr:19.21,co:14.13,fe:11.84,v:4.75(at.％))组成，如图1所示。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的cofeni2vzr0.55共晶高熵合金的xrd图；

图2为本发明实施例1制备的cofeni2vzr0.55共晶高熵合金的sem图；

图3为本发明实施例2制备的cofeni2vzr0.5共晶高熵合金的sem图；

图4为本发明实施例3制备的cofeni2vzr0.6共晶高熵合金的sem图。

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。

本发明一种cofeni2vzrx共晶高熵合金，其组成元素co、fe、ni、v、zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:x，其中x＝0.5～0.6(摩尔比)。

本发明提供了一种cofeni2vzrx共晶高熵合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对原料进行前处理；

具体方法为，对co块、fe棒、ni块进行打磨，并分别置于不同的烧杯中，另外将v片和zr棒分别置于不同的烧杯中。然后，再倒入一定量的酒精，超声波清洗15～20分钟，以去除原料表面的氧化皮和杂质。然后再将清洗后的原料用吹风机吹干，得到处理干净的co、fe、ni、v及zr原料。

步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.5～0.6的比例称取原料co、fe、ni、v和zr单质金属；所述的高纯co块、fe棒、ni块、v片及zr棒的纯度不低于99.9wt％。

步骤3，熔炼，制备cofeni2vzrx共晶高熵合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将步骤2中称取的待熔炼的金属原料按照熔点从低到高从下往上依次放入水冷铜坩埚内，将电弧炉工作腔抽真空至7.0×10^-3pa～5.0×10^-3pa，再通入高纯氩气作为保护气体，使炉内氩气压力达到0.05～0.06mpa；

步骤3.2，开始电弧熔炼，熔化电流为420～470a，待混合物全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需的电流为12～14a，保持8～10min后，冷却合金液，得到初次铸锭。

步骤3.3，通过机械手将铸锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为420～470a，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为12～14a，保持8～10min后，冷却合金液，得到第二次铸锭；

步骤3.4，重复步骤3.3三次，最终得到组织成分均匀的cofeni2vzrx共晶高熵合金的铸锭。

实施例1

一种cofeni2vzr0.55共晶高熵合金，其组成元素co、fe、ni、v、zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:0.55，具体通过以下的方法进行制备：

步骤1，对原料进行前处理；

具体方法为，对co块、fe棒、ni块进行打磨，并分别置于不同的烧杯中，另外将v片和zr棒分别置于不同的烧杯中。然后，再倒入一定量的酒精，超声波清洗15分钟，以去除原料表面的氧化皮和杂质。然后再将清洗后的原料用吹风机吹干，得到处理干净的co、fe、ni、v及zr原料。

步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.55的比例称取原料co、fe、ni、v和zr单质金属；所述的高纯co块、fe棒、ni块、v片及zr棒的纯度不低于99.9wt％。

步骤3，熔炼，制备cofeni2vzr0.55共晶高熵合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将步骤2中称取的待熔炼的金属原料按照熔点从低到高从下往上依次放入水冷铜坩埚内，将电弧炉工作腔抽真空至7.0×10^-3pa，再通入高纯氩气作为保护气体，使炉内氩气压力达到0.05mpa；

步骤3.2，开始电弧熔炼，熔化电流为420a，待混合物全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需的电流为14a，保持10min后，冷却合金液，得到初次铸锭。

步骤3.3，通过机械手将铸锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为420a，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为14a，保持10min后，冷却合金液，得到第二次铸锭；

步骤3.4，重复步骤3.3三次，最终得到组织成分均匀的cofeni2vzr0.55共晶高熵合金的铸锭。

图2为实施例1制备的cofeni2.0vzr0.55高熵合金的扫描电镜组织图(sem图)，图2(a)为低倍下的微观组织，图2(b)为图2(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色fcc相和白色ni7zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括粗大的共晶层片、细小的共晶层片和离异共晶，这说明cofeni2vzr0.55高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金，即制备得到cofeni2vzr0.55共晶高熵合金。

实施例2

一种cofeni2vzr0.5共晶高熵合金，其组成元素co、fe、ni、v、zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:0.5，具体通过以下的方法进行制备：

步骤1，对原料进行前处理；

具体方法为，对co块、fe棒、ni块进行打磨，并分别置于不同的烧杯中，另外将v片和zr棒分别置于不同的烧杯中。然后，再倒入一定量的酒精，超声波清洗17分钟，以去除原料表面的氧化皮和杂质。然后再将清洗后的原料用吹风机吹干，得到处理干净的co、fe、ni、v及zr原料。

步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.5的比例称取原料co、fe、ni、v和zr单质金属；所述的高纯co块、fe棒、ni块、v片及zr棒的纯度不低于99.9wt％。

步骤3，熔炼，制备cofeni2vzr0.5共晶高熵合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将步骤2中称取的待熔炼的金属原料按照熔点从低到高从下往上依次放入水冷铜坩埚内，将电弧炉工作腔抽真空至6.0×10^-3pa，再通入高纯氩气作为保护气体，使炉内氩气压力达到0.055mpa；

步骤3.2，开始电弧熔炼，熔化电流为445a，待混合物全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需的电流为13a，保持9min后，冷却合金液，得到初次铸锭。

步骤3.3，通过机械手将铸锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为445a，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为13a，保持9min后，冷却合金液，得到第二次铸锭；

步骤3.4，重复步骤3.3三次，最终得到组织成分均匀的cofeni2vzr0.5共晶高熵合金的铸锭。

图3为实施例2制备的cofeni2vzr0.5高熵合金的扫描电镜组织图(sem图)，图3(a)为低倍下的微观组织，图3(b)为图3(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色fcc相和白色ni7zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括较粗的共晶层片、细小或极细小的共晶层片、网状共晶和离异共晶，这说明cofeni2vzr0.5高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金，即制备得到cofeni2vzr0.5共晶高熵合金。

实施例3

一种cofeni2vzr0.6共晶高熵合金，其组成元素co、fe、ni、v、zr含量按照摩尔比计为1:1:2:1:0.6，具体通过以下的方法进行制备：

步骤1，对原料进行前处理；

具体方法为，对co块、fe棒、ni块进行打磨，并分别置于不同的烧杯中，另外将v片和zr棒分别置于不同的烧杯中。然后，再倒入一定量的酒精，超声波清洗20分钟，以去除原料表面的氧化皮和杂质。然后再将清洗后的原料用吹风机吹干，得到处理干净的co、fe、ni、v及zr原料。

步骤2，按照摩尔比为1:1:2:1:0.6的比例称取原料co、fe、ni、v和zr单质金属；所述的高纯co块、fe棒、ni块、v片及zr棒的纯度不低于99.9wt％。

步骤3，熔炼，制备cofeni2vzr0.6共晶高熵合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将步骤2中称取的待熔炼的金属原料按照熔点从低到高从下往上依次放入水冷铜坩埚内，将电弧炉工作腔抽真空至5.0×10^-3pa，再通入高纯氩气作为保护气体，使炉内氩气压力达到0.06mpa；

步骤3.2，开始电弧熔炼，熔化电流为470a，待混合物全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需的电流为12a，保持8min后，冷却合金液，得到初次铸锭。

步骤3.3，通过机械手将铸锭在坩埚内进行翻转，然后开始再次熔炼，熔化电流为470a，待全部熔化，开启电磁搅拌，搅拌所需电流为12a，保持8min后，冷却合金液，得到第二次铸锭；

步骤3.4，重复步骤3.3三次，最终得到组织成分均匀的cofeni2vzr0.6共晶高熵合金的铸锭。

图4为实施例3制备的cofeni2vzr0.6高熵合金的扫描电镜组织图(sem图)，图4(a)为低倍下的微观组织，图4(b)为图4(a)中对应区域高倍下的微观组织。从图中可以看出，合金组织由黑色fcc相和白色ni7zr2相两相共晶组成，其中共晶组织包括粗大的共晶层片、细小或极细小的共晶层片以及离异共晶，这说明cofeni2vzr0.6高熵合金是一种组织为共晶形貌的合金，即制备得到cofeni2vzr0.6共晶高熵合金。