一种富Cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金及其制备方法

本发明涉及合金制备，特别是一种富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，高熵合金因其特殊的综合性能而获得了极大的关注。高熵合金的定义是由至少五种主要元素组成，每种元素的原子百分比从5％到35％不等，与传统合金相比，高熵合金表现出明显的特征，如高熵、严重的晶格畸变、迟滞扩散和鸡尾酒效应等。高熵合金因其优异的性能使得许多研究者将其作为未来高性能的结构材料进行研究与开发。一般情况下，室温下的强度和延展性是结构材料的两个基本特性。然而，以前的研究已经观察到单相高熵合金的强度和延展性之间的权衡。单相体心立方(bcc)高熵合金表现出高强度但低延展性，而单相面心立方(fcc)高熵合金则具有相反的特性。与单相高熵合金相比，具有独特微观结构的双相或多相高熵合金表现出平衡的强度-延展性，因为双相或多相结构的协同效应可以显著提高其性能。通过设计双相或多相非等摩尔比高熵合金中的纳米沉淀物的复合微结构，可以获得出色的性能。

2、此外，金属元素是非等摩尔高熵合金的主要成分，但在这些合金中加入非金属元素的研究相对不足。而非金属元素的添加可以明显提高等摩尔或接近等摩尔的高熵合金的力学性能。其中，si掺杂因其有可以通过固溶强化、位错强化和二次相强化来改善力学性能而引起关注。适当的si含量对延展性的影响很小，并成功地提高了高熵合金的强度和硬度。然而，在某些情况下，当si含量超过阈值时，延展性下降。因此，值得研究的是如何通过在非等摩尔多相高熵合金中掺入适当的si含量来克服强度和延展性之间的权衡问题。此外，众所周知，合金(包括高熵合金)的力学性能可能会受到熔炼过程中产生的缺陷的影响。热处理可以消除一些缺陷，促进析出物的形成，或者调控高熵合金中各相的体积分数和分布，而不改变合金的化学成分。因此，通过设计并制备了一种非等摩尔多相al0.5crfeni2.5si0.25的高熵合金，随后进行了热处理。研究如何利用热处理消除合金的部分缺陷，同时通过显微组织的调控进一步提升合金的压缩性能，并进行相关的实验检测能够证明合金的抗压强度，屈服强度，塑性得到改善，进而获得一种综合性能较好的高熵合金非常有必要。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明的第一个目的是要提供一种富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金，由以下摩尔比的成分组成：al0.5cr0.9feni2.5si0.25。

4、本发明的第二个目的是要提供一种富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

5、1)原料准备：按照摩尔比al0.5crfeni2.5si0.25称取纯度高于99.9％的al、cr、fe、ni、si原料，并对原料进行清洁处理；

6、2)真空悬浮感应熔炼：将各原料放入真空悬浮感应熔炼炉中，进行抽真空，并在惰性气体氛围下进行反复熔炼多次，随炉冷却，得到高熵合金；

7、3)热处理：将高熵合金在750℃-1200℃温度下退火处理1小时后，淬火冷却至室温，得到富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金。

8、进一步地，所述步骤1)中的对原料进行清洁处理为：使用体积分数为10％的硫酸水溶液对各原料进行酸洗。

9、进一步地，所述步骤2)中的真空悬浮感应熔炼炉抽真空至10-3量级，并使用惰性气体洗两次至冲满惰性气体。

10、进一步地，所述步骤2)中真空悬浮感应熔炼炉熔炼时，功率从低到高依次设置为100kw-150kw-200kw，每次调整时间间隔5分钟，原材熔清后150kw熔炼15分钟。

11、进一步地，所述步骤2)中随炉冷却至100-150℃之间出炉。

12、进一步地，所述步骤3)中退火处理为：将高熵合金采用石英管真空封管后置于箱式电阻炉(sx-4-10m)，设置热处理温度分别为750℃、850℃、1050℃、1200℃，热处理保温时间为1小时后，进行水冷。

13、优选地，所述惰性气体为氩气。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、本发明提供了一种富cr纳米沉淀物的多相析出强化高熵合金，具有新型的合金成分配比，利用真空感应炉熔炼，保证合金的均匀性并且有效避免合金氧化以及烧损问题。本发明得到的al0.5crfeni2.5si0.25高熵合金表面光亮且金属光泽明显，显微组织均匀分布。主要为fcc相和bcc相分布与枝晶间与枝晶区域。随着退火温度的增加，bcc相的比例从约21.68％逐渐增加到40.73％，而fcc相的比例从78.32％下降到59.27％。逐渐增加的bcc区域的比例有助于提高强度。退火后的1200℃高熵合金的纳米压痕硬度测试显示，fcc区域的硬度约为3.872gpa，而bcc区域的硬度约为8.853gpa，约为fcc区域强度的2.3倍。晶界附近的σ沉淀物相的硬度约为5.575gpa。通过热处理后，bcc基体上的富cr纳米结构体积分数及尺寸的变化产生了沉淀强化和细晶强化。此外，在变形过程中，由bcc基体中的富cr和σ相组成的枝晶区域作为硬质相，近球形的富含cr的沉淀物均匀地分散在bcc基体中，导致其性能远远优于脆性的单一bcc相。纳米级和亚微米级的σ沉淀物可以有效地加强高熵合金，而不会造成严重的塑性损失，而枝晶间的fcc/l12相则作为软相。两者在变形的过程中协同效应有利于改善压缩性能。使得压缩性能得到提升。当合金为铸态时，其压缩强度为2267mpa，塑性为14.8％；退火温度为750℃时，强度为2288mpa，塑性为14.9％；退火温度为850℃时，强度为2367mpa，塑性为17.4％；退火温度为1050℃时，强度为2431mpa，塑性为21.2％；退火温度为1200℃时，强度为2584mpa，塑性为23.4％。

16、本发明采用真空悬浮感应熔炼法设计和制备al0.5crfeni2.5si0.25高熵合金。在不同温度(750℃850℃、1050℃和1200℃)下对合金进行热处理，通过调控微观组织、相结构提高力学性能。铸态和退火态的al0.5crfeni2.5si0.25高熵合金呈现出枝晶微观结构。l12纳米颗粒分布在fcc基体中，而富含cr的纳米颗粒和条状的σ相分布在bcc基体中。铸态和退火态的al0.5crfeni2.5si0.25 heas以双相(fcc和bcc)结构为主，并分别在fcc和bcc基体上分布纳米级和微米级的析出物。随着退火温度的提高(750℃-1200℃)，含有富含cr的纳米颗粒和条状σ相富集的bcc基体的比例逐渐增加。同时，富含cr的纳米粒子逐渐细化。在1050℃和1200℃的热处理后，部分σ相产生溶解现象。在不同的热处理温度下，析出相的变化导致了强化机制的产生，这使得合金克服了抗压强度和塑性之间的权衡。在强度提升的同时，合金的塑性也同时提高。在750℃-1200℃退火条件下，抗压强度从2288mpa增加到2584mpa，同时塑性从14.9％增加到23.4％。随着退火温度从750℃增加到1200℃，由于元素扩散，bcc集体区域的比例增加。当温度高于1050℃时，部分条状的σ相析出物在bcc区域消失了。在退火过程中，纳米级富cr相的尺寸逐渐减小。随着退火温度的提高，由于微观结构和相比例的变化导致了沉淀强化和细晶强化。同时在压缩变形过程中由bcc、富cr和σ相组成的枝晶区域作为硬质相，而枝晶间的有序fcc/l12相则作为软相，枝晶和枝晶间微观结构的协同效应有利于改善抗压性能。因此，在热处理后的抗压强度和塑性都得到了提高。并且在经过1200℃真空悬浮感应熔炼后获得最佳的综合力学性能的高熵合金。