一种Al和Ti微合金化高强韧中熵合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种al和ti微合金化高强韧中熵合金及其制备方法，属于材料加工技术领域。

背景技术：

新的合金设计理念提出，5种及5种以上元素，且每种元素原子百分比介于5％～35％的合金为高熵合金即多主元合金。此外，高熵合金还可以从熵值上来定义。热力学上，熵是表征系统混乱度的一个参数。混乱度越大，系统的熵也就相应越大。合金材料可以分为以下三大类：低熵合金，即传统合金，以一种或两种元素为主要组成元素(δsmix≤0.69r)；中熵合金，包含两种到四种主要元素(0.69r≤δsmix≤1.61r)；高熵合金，包含至少五种主要组成元素(δsmix≥1.61r)。

中熵合金介于传统合金(低熵合金)和高熵合金之间，既保持了高熵合金的突出性能，如高强度、硬度，又减少了主元数，其混合熵更接近传统合金，有更好的塑性加工性能。

目前，块体中熵合金的制备方法主要有真空电弧熔炼法和粉末冶金法。真空电弧熔炼法方法可熔炼熔点较高的合金，且可一次熔炼较多合金，有效的去除易挥发杂质和某些气体。但该方法制备的铸态合金容易出现内应力大、成分偏析、孔隙及缩孔等缺陷。

由于变形机理较为复杂，中熵合金的相关研究大多还集中在铸态。目前，铸态中熵合金的后续加工工艺主要有锻造和轧制两种。锻造可以消除铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，使得工件的机械性能一般优于同样材料的铸件。轧制制备的工件机械性能比较差，硬度太高，必须经过退火才能恢复其机械性能。

中熵合金作为新的合金体系，尚未受到广泛的关注，相应的塑性变形对中熵合金的组织及性能的影响的报道相对较少。合理设计合金成分，优化塑性变形(锻造、轧制)的工艺参数，不断提高中熵合金的塑性变形能力，是今后中熵合金研究的重要方向。为了提高conife中熵合金的强韧性，本发明通过添加微量的al和ti，通过塑性加工和不同温度的退火热处理制备综合性能更优的中熵合金。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种al和ti微合金化高强韧中熵合金及其制备方法，采用真空电弧熔炼的方法制备(conife)95al5-xtix(x＝1,2,3,4)中熵合金，优化锻造、轧制及退火热处理的工艺参数，提高合金强韧性，制备综合性能优良的中熵合金。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种al和ti微合金化高强韧中熵合金的成分为(conife)95al5-xtix，其中co、ni、fe按等原子配比，x的取值范围为1～4。

本发明的al和ti微合金化高强韧中熵合金的制备方法包括以下步骤：

步骤1，将co、ni、fe、al和ti粒/块按比例配料置于真空电弧炉中，抽真空至1×10^-2～1×10^-3pa，保护气为氩气，炉内压力为0.05～0.06mpa；熔炼过程中不断翻转重熔至少5次，熔炼成锭，并对铸态合金锭进行均匀化退火；

步骤2，将均匀化退火后的铸态合金锭进行锻造，对锻造后的锻态合金块进行均匀化退火；

步骤3，将锻态合金块进行轧制，对轧态合金块进行退火热处理。

其中，

步骤1)所述的co、ni、fe、al和ti粒/块的纯度均为99.97wt.％，熔炼为真空电弧熔炼，熔炼电流取值范围为100～300a。

步骤1)所述的均匀化退火，温度为900～1100℃，保温时间为12～24h，冷却方式为炉冷。

步骤2)所述的锻造工艺为，将铸态合金锭加热至800～1000℃，放置于平台，采用20～40kg的锻造机进行多次锻打，最终锻造为长、宽、高分别为60～70mm，20～30mm，3～5mm的长方体。

步骤2)所述的均匀化退火温度范围为900～1100℃，保温时间为1～12h，冷却方式为空冷。

步骤3)所述的轧制工艺为，在室温下，将锻造块依次按照10％、20％、40％、60％、75％、85％、90％相对于原始锻块厚度的相对压下量进行轧制，最终获得1.0～1.5mm的板材。

步骤3)所述的退火，温度范围为600～1100℃，保温时间为1～12h，空冷。

有益效果：本发明的有益效果如下：

室温下，conife中熵合金的塑性较好，但强度和韧性较差。本发明添加微量相对原子半径较大的al和ti，总含量为5％，主要是增强固溶强化效应。在确保其基体相为单相fcc结构的基础上，通过al/ti含量的变化，调控强化相的析出，从而在提高强度的同时，保证其具有良好的塑性。同时采用不同的热处理工艺，控制析出相的形态及数量。

本发明通过锻造和轧制及适当的热处理改善了中熵合金的组织和性能，提高中熵合金的强韧性，综合性能更优。

附图说明

图1为实施例中制备的(conife)95al4ti1中熵合金的硬度图。

图2为实施例中制备的轧态(conife)95al3ti2中熵合金的应力-应变曲线图。

图3为实施例中制备的轧态(conife)95al2ti3中熵合金在900℃，保温1h，空冷后的ebsd图。

图4为实施例中制备的退火温度为1000℃时，(conife)95al2ti3中熵合金的室温拉伸断口形貌图。

具体实施方式

本发明所述的一种al和ti微合金化高强韧中熵合金的成分为(conife)95al5-xtix，其中co、ni、fe按等原子配比，x的取值范围为1～4。

该制备方法包括以下步骤：

1)将co、ni、fe、al和ti粒/块按比例配料置于真空电弧炉中，抽真空至1×10^-2～1×10^-3pa，保护气为氩气，炉内压力0.05～0.06mpa。熔炼过程中不断翻转至少5次，熔炼成锭，并对铸态合金锭进行均匀化退火。

2)将均匀化退火后的铸态合金锭进行锻造，对锻态合金块进行均匀化退火。

3)将锻态合金块加热至800～1000℃进行轧制，对轧态合金块进行退火热处理。

步骤1)所述的co、ni、fe、al和ti粒/块的纯度均为99.97wt.％。

步骤1)所述的熔炼为真空电弧熔炼，熔炼电流取值范围为100～300a。

步骤1)所述的均匀化退火温度为900～1100℃，保温时间为12～24h，空冷。

步骤2)所述的锻造工艺为，将铸态合金锭加热至800～1000℃，放置于平台，采用20～40kg的锻造机进行多次锻打，最终锻造为长宽高分别为60～70mm，20～30mm，3～5mm的长方体。

步骤2)所述的均匀化退火温度范围为900～1100℃，保温时间均为1～12h，冷却方式均为空冷。

步骤3)所述的轧制工艺为，在室温下，将经过均匀化退火的锻造块分别依次按照10、20、40、60、75、85、90％的相对压下量(相对于原始锻块厚度)进行轧制，最终获得1.0～1.5mm的板材。

步骤3)所述的退火温度范围为600～1100℃，保温时间均为1～12h，冷却方式均为空冷。

实施例1

本发明的al和ti微合金化高强韧中熵合金的成分为(conife)95al4ti1。

上述al和ti微合金化高强韧中熵合金的制备方法步骤如下：

1)将co锭16.52g、ni锭16.45g、fe锭15.65g、al锭0.96g和ti锭0.42g放入真空电弧熔炼炉中，抽真空至1×10^-3pa，保护气为氩气，炉内压力为0.05mpa，重复翻转熔炼5次，熔炼成锭。对铸态合金锭在1000℃进行均匀化退火，保温12h，空冷。

2)将均匀化退火后的合金锭进行锻造，对锻态合金块进行均匀化退火。

首先，将锻态合金锭置于马弗炉中加热至900℃，再将铸态合金锭放置于平台，采用40kg的锻造机进行多次锻打，最终锻造成长、宽、高分别为60mm、20mm、4mm的长方体。随后，退火温度为1000℃，保温1h，空冷。

3)将锻态合金块进行轧制，对轧态合金块进行退火热处理。

在室温下，将经过均匀化退火的锻造块分别按照10％，30％，50％，65％，75％(均相对于原始高度，4mm)的相对压下量进行多次轧制，最终获得1.0mm的板材。退火热处理温度为800℃，保温1h，空冷后即得到所述的中熵合金。

实施例2

本发明的一种al和ti微合金化高强韧中熵合金成分为(conife)95al3ti2。

上述al和ti微合金化高强韧中熵合金的制备方法步骤如下：

1)将co锭16.46g、ni锭16.39g、fe锭15.60g、al锭0.71g和ti锭0.84g放入真空电弧熔炼炉中，抽真空至1×10^-3pa，保护气为氩气，炉内压力为0.05mpa，重复翻转熔炼5次，熔炼成锭。对铸态合金锭在1000℃进行均匀化退火，保温12h，空冷。

2)将均匀化退火后的合金锭进行锻造，对锻态合金块进行均匀化退火。

首先，将锻态合金锭置于马弗炉中加热至900℃，再将铸态合金锭放置于平台，采用40kg的锻造机进行多次锻打，最终锻造成长、宽、高分别为60mm、20mm、4mm的长方体。随后，退火温度为1000℃，保温1h，空冷。

3)将锻态合金块进行轧制，对轧态合金块进行退火热处理。

在室温下，将经过均匀化退火的锻造块分别按照10％，30％，50％，65％，75％(均相对于原始高度，4mm)的相对压下量进行多次轧制，最终获得1.0mm的板材。退火热处理温度为800℃，保温1h，空冷后即得到所述的中熵合金。

实施例3

本发明的一种al和ti微合金化高强韧中熵合金成分为(conife)95al2ti3。

上述al和ti微合金化高强韧中熵合金的制备方法步骤如下：

1)将co锭16.40g、ni锭16.33g、fe锭15.54g、al锭0.47g和ti锭1.26g放入真空电弧熔炼炉中，抽真空至1×10^-3pa，保护气为氩气，炉内压力为0.05mpa，重复翻转熔炼5次，熔炼成锭。对铸态合金锭在1000℃进行均匀化退火，保温12h，空冷。

2)将均匀化退火后的合金锭进行锻造，对锻态合金块进行均匀化退火。

首先，将锻态合金锭置于马弗炉中加热至900℃，再将铸态合金锭放置于平台，采用40kg的锻造机进行多次锻打，最终锻造成长、宽、高分别为60mm、20mm、4mm的长方体。随后，退火温度为1000℃，保温1h，空冷。

3)将锻态合金块进行轧制，对轧态合金块进行退火热处理。

在室温下，将经过均匀化退火的锻造块分别按照10％，30％，50％，65％，75％(均相对于原始高度，4mm)的相对压下量进行多次轧制，最终获得1.0mm的板材。退火热处理温度为800℃，保温1h，空冷后即得到所述的中熵合金。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，不是用来限制本发明的事实与权利范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。