一种超硬铸态NiAlCoFeNb双相高熵合金及其制备方法

一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于高熵合金制备领域，具体涉及一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.多组元高熵合金是一类备受研究者们广泛关注的复合成分合金，与传统合金中只有一个或两个主元的设计理念不同，多组元高熵合金的主元数通常为四个及以上。由于高混合熵、严重的晶格畸变和缓慢的扩散效应的共同作用，通常形成单相的面心立方(fcc)、体心立方(bcc)、密排六方(hcp)结构或多相结构，而不形成金属间化合物或其它复杂有序相，这些合金表现出许多独特的物理性能，如高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨以及抗氧化等性能。这些都使得高熵合金成为有望突破材料性能瓶颈的新型材料。与此同时，设计合金以实现特定性能的新主题也逐渐出现。
3.硬度是衡量金属材料软硬程度的重要指标之一，高硬度能大幅度提升材料的耐磨性。经对现有技术的文献检索发现，仝永刚等人在专利cn 112831710 a《一种超硬耐磨高熵合金及其制备方法》中提到了使用nb、ta、mo和w四种元素作为基础组元、fe、co、cr等元素作为强化组元，利用晶格畸变提高固溶强化效果，电弧熔炼出更高硬度、更加耐磨的高熵合金材料。该技术的特点在于：(1)该材料采用真空电弧熔炼，方法简单便捷；(2)该材料的结构为单一b2相，结构较为稳定；(3)硬度达到1000-1200hv。但该技术也存在以下缺点：(1)与我们的原位生成超硬铸态nialcofenb双相高熵合金相比，此熔炼过程还需要二元合金化和最终合金化两个步骤，且原料烧损和能源损耗比较明显；(2)使用昂贵的稀有金属ta和w，属于难熔合金，熔炼技术较高，成本较大。
4.进一步检索发现，兰丽娟等人在专利cn201810508772.4《内生型纳米颗粒增强高熵合金基复合材料的制备方法》中提到了使用al、ni、fe、cr、cu、ti、b粉末，通过球磨混合+挤压成块+微波熔炼的方式制备了增强体tib2体积分数为8％～12％的al-ni-fe-cr-cu-ti-b系高熵合金复合材料。纳米级tib2增强体复合高熵合金材料的硬度为465hv，相对于基体(143.9hv)有很大的提高。该技术的优点在于：(1)升温速率快，反应温度低，烧结进程较短；(2)颗粒为原位反应生成，界面干净平整，结合紧密；(3)硬度达到465hv。但该技术也会存在一定缺陷：(1)在微波烧结前需要高能能球磨来实现机械合金化，因此存在制备周期长、工艺复杂的情况；(2)球磨后的易氧化元素al、cu不可避免引入氧化物杂质，导致块体材料的致密度降低。


技术实现要素：

5.针对现有高熵合金硬度提升技术难度高、实际增幅有限的问题，本发明提供一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金及其制备方法，通过真空电弧熔炼的方式来制备体心立方有序b2相与密排六方laves相均匀分布的超硬铸态高熵合金。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金的制
备方法，包括如下步骤：
7.步骤(1)：按照原子比称取单质原材料；
8.步骤(2)：采用真空电弧熔炼，在高纯氩气保护下制备成体心立方相b2与密排六方相laves均匀分布的双相高熵合金。
9.进一步的，步骤(1)按照如下原子比称取单质原材料：ni20％、al20％、co20％、fe20％、nb20％。
10.进一步的，步骤(1)按照如下原子比称取单质原材料：ni25％、al25％、co20％、fe20％、nb10％。
11.进一步的，步骤(1)按照如下原子比称取单质原材料：ni30％、al30％、co20％、fe15％、nb5％。
12.进一步的，原材料的纯度为99.95wt％以上。
13.进一步的，步骤(1)还包括如下步骤：称取原材料后酒精超声清洗，吹干真空保存。
14.进一步的，步骤(2)的真空电弧熔炼具体为：
15.步骤(21)：将称取的ni、al、co、fe、nb颗粒按照熔点由低到高的顺序放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中；
16.步骤(22)：抽真空至1
×
10-5
pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼时首先在50～250a电流条件下熔炼1min～3min，然后在250a～500a电流条件下熔炼1min～3min；
17.步骤(23)：将得到的铸锭重复翻转熔炼3～5次，得到组织均匀的双相高熵合金铸锭。
18.一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金，采用上述的方法制备
19.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
20.(1)本发明采用真空电弧熔炼方式直接熔炼各种单质元素，减少了中间合金的制备流程，减少了挥发损耗，降低了熔炼难度。
21.(2)原位生成的双相组织，不需要热机械加工获得较高硬度。且进一步晶粒细化，有望在涂层领域获得更高的硬度。
22.(3)本发明制备的一系列新型高熵合金材料，巧妙地选择了熔点具有较大差异的五种元素，包括al(660℃)、ni(1453℃)、co(1495℃)、fe(1538℃)和nb(2468℃)，成功制备出成分均匀、结构稳定的双相高熵合金材料；加工过程中，体心立方有序b2相与密排六方laves相熔点高的先凝固，先形成laves相，再形成b2相，密排六方laves相的形成过程相当于细化晶粒，laves弹性模量就比b2高。
23.(4)本发明可根据性能需求调整原材料成分含量，制备一系列不同组分的双相高熵合金材料，具有很好的成分设计和相组织结构的灵活性。
24.(5)本发明制备的铸态nialcofenb双相高熵合金为体心立方有序b2相与密排六方laves相均匀分布的形貌，具有高硬度的特点。其中摩尔比分别为1:1:1:1:1的材料硬度高达818.1hv。
附图说明
25.图1为实施例3中超硬铸态ni
20
al
20
co
20
fe
20
nb
20
双相高熵合金的扫描电镜图。
26.图2为实施例3中超硬铸态ni
20
al
20
co
20
fe
20
nb
20
双相高熵合金相应fe、nb元素的能谱分析结果；其中(a)为fe元素分布图，(b)为nb元素分布图。
27.图3为实施例1，2，3中不同原子配比合成的超硬铸态nialcofenb系双相高熵合金对应的硬度值。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
29.本发明针对现有技术存在的上诉不足，提出了一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金及其制备方法，通过易于操作的真空电弧熔炼方式制备一系列具有体心立方有序b2相与密排六方laves相均匀分布的nialcofenb双相高熵合金材料，由于laves相的增多，使得铸态ni
20
al
20
co
20
fe
20
nb
20
双相高熵合金的硬度高达818.1hv。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，参照各附图，对本发明给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
30.实施例1
31.一种超硬铸态nialcofenb双相超硬高熵合金，包括如下原子百分比的金属颗粒：ni30％、al30％、co20％、fe15％、nb5％，表示为ni
30
al
30
co
20
fe
15
nb5。
32.步骤1，称取：按比例称取ni、al、co、fe、nb颗粒。
33.步骤2，熔炼：使用真空电弧熔炼炉制备铸态nialcofenb双相高熵合金。
34.1)将称取的ni、al、co、fe、nb颗粒按照熔点由低到高的顺序放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中；
35.2)抽真空至1
×
10-5
pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼时首先在50～250a电流条件下熔炼1min～3min，然后在250a～500a电流条件下熔炼1min～3min；
36.3)将步骤2)得到的双相高熵合金锭重复翻转熔炼5次，得到组织均匀的双相高熵合金锭。
37.将制得的样品进行显微硬度测试实验，ni
30
al
30
co
20
fe
15
nb5高熵合金的材料硬度可达512.4hv。
38.实施例2
39.一种超硬铸态nialcofenb双相高熵合金，包括如下原子百分比的金属颗粒：ni25％、al25％、co20％、fe20％、nb10％，表示为ni
25
al
25
co
20
fe
20
nb
10
。
40.步骤1，称取：按比例称取ni、al、co、fe、nb颗粒。
41.步骤2，熔炼：使用真空电弧熔炼炉制备铸态nialcofenb双相高熵合金。
42.1)将称取的ni、al、co、fe、nb颗粒按照熔点由低到高的顺序放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中；
43.2)抽真空至1
×
10-5
pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼时首先在50～250a电流条件下熔炼1min～3min，然后在250a～500a电流条件下熔炼1min～3min；
44.3)将步骤2)得到的双相高熵合金锭重复翻转熔炼5次，得到组织均匀的双相高熵合金锭。
45.将制得的样品进行显微硬度测试实验，ni
25
al
25
co
20
fe
20
nb
10
高熵合金的材料硬度可达659.6hv。
46.实施例3
47.一种多超硬铸态nialcofenb双相高熵合金，包括如下原子百分比的金属颗粒：ni20％、al20％、co20％、fe20％、nb20％，表示为ni
20
al
20
co
20
fe
20
nb
20
。
48.步骤1，称取：按比例称取ni、al、co、fe、nb颗粒。
49.步骤2，熔炼：使用真空电弧熔炼炉制备铸态nialcofenb双相高熵合金。
50.1)将称取的ni、al、co、fe、nb颗粒按照熔点由低到高的顺序放入真空电弧炉的水冷铜坩埚中；
51.2)抽真空至1
×
10-5
pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼时首先在50～250a电流条件下熔炼1min～3min，然后在250a～500a电流条件下熔炼1min～3min；
52.3)将步骤2)得到的双相高熵合金锭重复翻转熔炼5次，得到组织均匀的双相高熵合金锭。
53.将制得的样品进行扫描电镜观察可知，ni
20
al
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co
20
fe
20
nb
20
高熵合金为明显的双相结构，其中浅灰衬度的结构为b2相，深灰衬度的结构为laves相，如图1所示。图2的能谱分析结果也表明了铸态的材料中存在富集fe、nb元素的laves相，而laves相的存在造成了铸态nialcofenb双相高熵合金的高硬度。
54.进一步的显微硬度测试实验表明，ni
20
al
20
co
20
fe
20
nb
20
高熵合金的材料硬度可达818.1hv。