一种软磁高熵合金及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于软磁高熵合金技术领域，具体涉及一种软磁高熵合金及其制备方法。


背景技术：

[0002]
2004年中国台湾学者叶均蔚教授首次提出高熵合金，并将其定义为由五种或五种以上的元素组成，按照等原子比或者接近等原子比组成的合金，其中每种元素的原子百分比在5-35％之间。基于目前对高熵合金的认识，人们总结出高熵合金具有四大效应：高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应，而这四大效应也是高熵合金众多优异表现的主要来源。
[0003]
由于高熵效应的影响，高熵合金一般形成体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)等固溶体结构。通常而言，具有bcc相的合金具有极高的硬度和强度，但往往比较脆；具有fcc相的合金则具有良好的塑形，但强度较低；具有fcc+bcc双相的合金可以兼顾良好的塑形和韧性。
[0004]
研究发现，组成高熵合金的元素中往往含有大量的金属元素，尤其是铁、钴、镍三种铁磁性元素，这就使其可能具有良好的磁性能，有望用在电动机、变压器、开关电源等众多器件中。由于磁性元素含量被稀释的缘故，传统等原子比高熵合金的磁性能往往较差。
[0005]
相分离是传统合金中普遍存在的一种现象，最早是在研究cu-co和cu-fe 合金时发现的。在适当的条件下，高熵合金也会出现相组织偏析现象，使得合金相两侧的晶体结构和元素组成有较大的差异。
[0006]
为了提高高熵合金的磁性能，需要合理设计元素组成，得到磁性能优良的新型磁性高熵合金。但是，现有技术中研究高熵合金的磁性能大多采用试错法设计合金成分，鲜有通过相分离进行设计高熵成分，为此，有必要设计一种通过相分离反向研究高熵合金的磁性能变化的方法，以克服实际应用中的不足。


技术实现要素：

[0007]
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种软磁高熵合金。
[0008]
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
[0009]
一种软磁高熵合金，所述高熵合金包括fe、co、ni、cu、al和ga元素，高熵合金成分为fe
a
co
b
ni
c
cu
d
al
e
ga
f
；其中a、b、c、d、e和f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为10～30，b为10～30，c为10～30， d为10～50，e为10～20，f为0.5～3，a+b+c+d+e+f＝100。
[0010]
作为优选方案，所述高熵合金中原纯金属fe、co、ni、cu、al和ga的纯度均大于99.9％。
[0011]
本发明还提供如上任一方案所述的一种软磁高熵合金的制备方法，包括以下步
骤：
[0012] (1)根据feconi(cual)
0.8
ga
0.06
高熵合金的相分离结果确定 feconicualga高熵合金的各组分原子百分比；
[0013] (2)按照fe，co，ni的原子百分比为10％～30％，cu的原子百分比为 10％～50％，al的原子百分比为10％～20％，ga的原子百分比为0.5％～3％称取 fe块、co块、ni块、cu块、al棒和ga块作为原料；
[0014] (3)将原料按照熔点由低到高依次放入水冷铜坩埚中，以高纯氩气作为保护气体进行熔炼，得到母合金锭；
[0015] (4)采用铜模吸铸将母合金锭制成feconicualga高熵合金。
[0016]
作为优选方案，所述feconicualga高熵合金为片状、块状、棒状或丝状。
[0017]
作为优选方案，所述步骤(3)通过电弧炉进行熔炼，熔炼次数不少于4 次，每次熔炼时间45～60s。
[0018]
作为优选方案，步骤(4)中通过线切割从吸铸样品上切出试样，并用400 目、800目、1200目、1500目、2000目金相砂纸磨平试样表面，再通过呢绒金相抛光布进行抛光。
[0019]
本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0020]
本发明采用相分离反向设计高熵合金成分，打破了传统的试错法设计合金成分的方法，根据已有成分相分离结构设计对应的合金成分，制备的高熵合金磁性能各异，可以兼顾不同的磁性能应用需求。
[0021]
本发明的软磁高熵合金具有优良的塑形和韧性。
附图说明
[0022]
图1是feconi(cual)
0.8
ga
0.06
高熵合金的相分离扫描电子显微镜图；
[0023]
图2是feconicualga软磁高熵合金xrd谱图；
[0024]
图3是振动样品磁强计测得的feconicualga软磁高熵合金的磁滞回线；
[0025]
图4是软磁测试系统测得的feconicualga软磁高熵合金的磁化曲线；
[0026]
图5是软磁测试系统测得的feconicualga软磁高熵合金的磁滞回线。
具体实施方式
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0028]
本发明的设计思想：
[0029]
从feconi(cual)
0.8
ga
0.06
双相高熵合金的扫描电子显微镜图片(如图1所示)上可以看出，合金呈典型的树枝状微观结构，即由枝晶相(dr)、枝晶间相(ir)和相界区(pb)三部分组成的，出现这种情况可能有以下三个原因：
[0030]
首先，cu的熔点低于fe、co和ni，当温度降低时，cu会在fe、co、 ni之后凝固。其次，cu与fe、co、ni之间的混合焓分别为13kj/mol、6kj/mol、 4kj/mol，这意味着cu更容易被其他元素排斥，形成cu丰富的相界区域。最后，也是最重要的一点，cu在高温下是完全溶解在
fe-ni-co-cu-al熔液中的，但是，在凝固过程中，随着温度的降低，铜溶解度迅速降低，cu为fcc结构，在bcc相中的溶解度更低，这会导致cu的大量析出。
[0031]
根据能谱结果(如图2所示)可知，dr、ir和pb区的fe:co:ni:cu:al:ga 成分比分别是26:25:20:15:13.1:0.9、18:19:20:26:15.7:1.3和13:13:15:45:12.5:1.5。因此本发明据此制备出了三种合金，即fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
， fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
，fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
，并对三种高熵合金的磁性能进行检测。
[0032]
实施例一：
[0033]
本实施例制备fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
软磁高熵合金：
[0034] (1)根据feconi(cual)
0.8
ga
0.06
高熵合金的相分离结果确定 feconicualga高熵合金的各组分原子百分比；fe:co:ni:cu:al:ga成分比分别是26:25:20:15:13.1:0.9，按照以上配比称取feconicualga软磁高熵合金的原材料，按照原材料的熔点由低到高的顺序依次将原材料放在非自耗电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚里。其中原纯金属fe、co、ni、cu、al和ga的纯度均大于 99.9％。
[0035] (2)往熔炼炉里通入高纯氩气进行保护熔炼，为了保证合金成分的均匀性，需对合金锭反复熔炼4次，每次熔炼持续45s-60s。
[0036] (3)熔炼结束后，将母合金锭转入吸铸铜模上方进行吸铸，得到 fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
软磁高熵合金，为了保证能够将熔融高熵合金液顺利吸入铜模中，需在熔炼炉里通正气压。
[0037] (4)利用线切割技术从吸铸样品上切出10*10*2mm的试样，以此用400 目、800目、1200目、1500目、2000目金相砂纸磨平试样表面，再用呢绒金相抛光布进一步抛光样品；利用x射线衍射仪测试fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
高熵合金的x射线谱图，扫描范围20-100
°
，扫描速度4
°
/min；结果如图2。
[0038]
利用软磁测试系统测量fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
高熵合金的磁化曲线和磁滞回线，所加磁场范围-25000a/m-25000a/m。测得fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
高熵合金的饱和磁化强度(m
s
)，结果如图3所示。fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
高熵合金的初始磁导率(μ
i
)、最大磁导率(μ
m
)、磁滞损耗(p
u
)、剩磁(b
r
)和矫顽力(h
c
)，结果如图4和图5所示。
[0039]
实施例二：
[0040]
本实施例制备fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
软磁高熵合金：
[0041] (1)根据feconi(cual)
0.8
ga
0.06
高熵合金的相分离结果确定 feconicualga高熵合金的各组分原子百分比；fe:co:ni:cu:al:ga的成分分别是18:19:20:26:15.7:1.3，按照以上配比称取feconicualga软磁高熵合金的原材料，按照原材料的熔点由低到高的顺序依次将原材料放在非自耗电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚里。其中原纯金属fe、co、ni、cu、al和ga的纯度均大于 99.9％。
[0042] (2)往熔炼炉里通入高纯氩气进行保护熔炼，为了保证合金成分的均匀性，需对合金锭反复熔炼4次，每次熔炼持续45s-60s。
[0043] (3)熔炼结束后，将母合金锭转入吸铸铜模上方进行吸铸，得到 fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
软磁高熵合金，为了保证能够将熔融高熵合金液顺利吸入铜模中，需在熔炼炉里通正气压。
[0044] (4)利用线切割技术从吸铸样品上切出10*10*2mm的试样，以此用400 目、800目、
1200目、1500目、2000目金相砂纸磨平试样表面，再用呢绒金相抛光布进一步抛光样品；利用x射线衍射仪测试fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
高熵合金的x射线谱图，扫描范围20-100
°
，扫描速度4
°
/min；结果如图2。
[0045]
利用软磁测试系统测量fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
高熵合金的磁化曲线和磁滞回线，所加磁场范围-25000a/m-25000a/m。测得fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
高熵合金的饱和磁化强度(m
s
)，结果如图3所示。fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
高熵合金的初始磁导率(μ
i
)、最大磁导率(μ
m
)、磁滞损耗(p
u
)、剩磁(b
r
)和矫顽力(h
c
)，结果如图4和图5所示。
[0046]
实施例三：
[0047]
本实施例制备fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
软磁高熵合金：
[0048] (1)根据feconi(cual)
0.8
ga
0.06
高熵合金的相分离结果确定 feconicualga高熵合金的各组分原子百分比；fe:co:ni:cu:al:ga成分比分别是13:13:15:45:12.5:1.5，按照以上配比称取feconicualga软磁高熵合金的原材料，按照原材料的熔点由低到高的顺序依次将原材料放在非自耗电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚里。其中原纯金属fe、co、ni、cu、al和ga的纯度均大于 99.9％。
[0049] (2)往熔炼炉里通入高纯氩气进行保护熔炼，为了保证合金成分的均匀性，需对合金锭反复熔炼4次，每次熔炼持续45s-60s。
[0050] (3)熔炼结束后，将母合金锭转入吸铸铜模上方进行吸铸，得到 fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
软磁高熵合金，为了保证能够将熔融高熵合金液顺利吸入铜模中，需在熔炼炉里通正气压。
[0051] (4)利用线切割技术从吸铸样品上切出10*10*2mm的试样，以此用400 目、800目、1200目、1500目、2000目金相砂纸磨平试样表面，再用呢绒金相抛光布进一步抛光样品；利用x射线衍射仪测试fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
高熵合金的x射线谱图，扫描范围20-100
°
，扫描速度4
°
/min；结果如图2。
[0052]
利用软磁测试系统测量fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
高熵合金的磁化曲线和磁滞回线，所加磁场范围-25000a/m-25000a/m。测得fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
高熵合金的饱和磁化强度(m
s
)，结果如图3所示。fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
高熵合金的初始磁导率(μ
i
)、最大磁导率(μ
m
)、磁滞损耗(p
u
)、剩磁(b
r
)和矫顽力(h
c
)，结果如图4和图5所示。
[0053]
本发明实施例一至实施例三的软磁高熵合金的磁性能数据对比如表1所示。
[0054]
表1本发明实施例一至实施例三的软磁高熵合金的磁性能
[0055][0056]
本发明的制备方法可以根据实际需要的高熵合金的性能，选择所需的合金配比，实现磁性能可控。即若需要高饱和磁化强度的高熵合金，则可以选择 fe
26
co
25
ni
20
cu
15
al
13.1
ga
0.9
高熵合金进行设计；若需要低饱和磁化强度高熵合金，则可以选择fe
13
co
13
ni
15
cu
45
al
12.5
ga
1.5
高熵合金进行设计；若需要中等磁饱和磁化强度的高熵合金，
则可以选择fe
18
co
19
ni
20
cu
26
al
15.7
ga
1.3
高熵合金进行设计。这种设计方法是一种非常有效的调控高熵合金磁性能的方法。
[0057]
为了达到更佳的磁性能效果，本发明的制备方法制得的三种软磁高熵合金，其中各元素的成分的配比还可以在以下合理范围内进行设计，对相应磁性能进行调整，以达到相应软磁高熵合金的最优磁性能，各元素成分的调整范围值如表2所示。
[0058]
表2本发明实施例一至实施例三的软磁高熵合金各元素成分调整值
[0059][0060][0061]
在上述实施例及其替代方案中，制备feconicualga高熵合金的原料中 fe，co，ni的原子百分比还可以在10％～30％之间任意选取；cu的原子百分比还可以在10％～50％之间任意选取；al的原子百分比还可以在10％～20％之间任意选取；ga的原子百分比还可以在0.5％～3％之间任意选取。
[0062]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。