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CN113514625A - 一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法 - Google Patents

一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Md‑δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，首先算得Al系目标高熵合金的平均Md值和平均δ值，然后根据平均Md值和平均δ值的关系获取Al系目标高熵合金的相结构，再根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的重量百分比，最后按重量百分比称取各组元进行合金化熔炼制得Al系目标高熵合金。本发明的方法，基于高熵合金的δ和Md与其相组成之间的联系预测Al系高熵合金的相结构进而获得理想的相组成；准确可靠，避免了现有技术需实际熔炼后对合金进行分析才可了解其相结构造成的成本及时间上的极大浪费，能够有效提高制备Al系高熵合金的效率，降低Al系高熵合金的制备成本，极具应用前景。

Description

一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法
技术领域
本发明属于合金成分设计技术领域，涉及一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法。
背景技术
中国台湾的学者叶均蔚教授在2004年创造性的突破了传统合金的发展瓶颈，提出了一种全新的合金设计理念，将多种金属元素作为合金主元，以相等或相似的比例混合熔炼获得合金。多主元混合产生的高熵效应，使得合金具有更好的力学性能及耐蚀性和耐磨性，尤其是在低温下能很好的实现材料强度和塑性的统一，具有很高的研究价值和开发应用意义。
近十年来，高熵合金研究开发异常活跃，吸引了越来越多的关注。从传统的冶金原理观点来看，多种合金元素在凝固过程中通常会导致许多金属间化合物和其它复杂的有序相的形成，然而，越来越多的试验研究表明，许多多组元合金体系倾向于形成具有简单结构的固溶体(FCC、BCC或是二者混合)。为了研究高熵合金的相稳定性，可以通过价电子浓度(VEC)、电负性(Δχ)、原子半径差(δ)、电子能级(Md)、共价键强度(Bo)混合焓(ΔHmix)等相关因素来预测相的形成规律。经查阅资料得知，通过VEC来预测相结构的组成，当VEC小于6.87时，合金容易形成BCC相结构；大于8.00时，容易形成FCC相结构；介于6.87和8.00之间一般形成FCC+BCC双相结构。并且该团队还提出了Ω(
Figure BDA0003083513400000011
其中Tm为理论熔点，单位：K)和δ双因素预测高熵合金相结构的规律模型，为了预测固溶体的结构是否有序和有无σ相的形成。他们认为当Ω≥1.1且δ≤6.6％时，高熵合金为固溶体结构，否则将形成金属间化合物或其它有序结构。以上VEC准则可以很好的预测固溶体的相结构，但不能很好的预测合金中是否生成金属间化合物；Ω-δ准则无法判断固溶体的相结构。
因此，开发一种适用性好的高熵合金相结构预测方法极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的高熵合金相结构预测方法适用性差的缺陷，提供一种适用性好的高熵合金相结构预测方法。本发明将电子理论合金中的过渡族元素d轨道平均能级Md参数引入高熵合金中，成功探索出一种可以预测高熵合金固溶体相结构和金属间化合物是否生成的理论模型，通过应用该模型即可获取性能优良的高熵合金配方进而指导高熵合金的制备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，首先算得Al系目标高熵合金的平均Md值和平均δ值，然后根据平均Md值和平均δ值的关系获取Al系目标高熵合金的相结构，再根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的重量百分比，最后按重量百分比称取各组元进行合金化熔炼制得Al系目标高熵合金；
所述根据平均Md值和平均δ值的关系获取Al系目标高熵合金的相结构是指δ≤4.5％则Al系目标高熵合金在铸态下生成FCC单相；Md<1.06且δ>4.5％则Al系目标高熵合金在铸态下生成FCC+BCC双相结构；Md≥1.06则Al系目标高熵合金在铸态下形成有序结构或者形成金属间化合物；其中，Md和δ分别为Al系目标高熵合金的平均Md值和平均δ值。当然本发明的方法可能也可适用于其他系目标高熵合金，对此本申请并未针对所有系目标高熵合金展开研究，但可以确定的是本发明的以上方法适用于Al系高熵合金相结构的预测。
本发明的基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，通过原子半径差δ和电子合计理论中的d轨道的平均能级Md之间的相互关联，设计出符合预期效果成分的高熵合金。在高熵合金中原子半径差δ对固溶体的形成有着显著的影响，若合金的原子半径差大于15％则形成的固溶体为有限固溶体，反之形成无限固溶体，其次较低的原子半径差有利于形成FCC相，含FCC结构固溶体的高熵合金相当柔软，但强度低；BCC结构固溶体的高熵合金强度高，但这种高强度通常伴随着脆性大，尤其是在高应力情况下。合金的平均能级Md对合金的相结构有着一定的关联，Md越低，越有利于形成稳定的相结构，从而避免产生不利于合金稳定的金属间化合物如σ相。本发明明确了Md-δ与高熵合金相形成规律之间的关系，在进行高熵合金成分设计时，可根据目标相成分，确定高熵合金体系的平均Md和δ值，再对高熵合金进行成分设计。该方法预测准确，可以通过该方法设计出合格的高熵合金，本发明避免了现有技术需实际熔炼后对合金进行分析才可了解其相结构造成的成本及时间上的极大浪费，本发明的方法相比于现有技术独创地提出了基于Md-δ预测Al系目标高熵合金的相结构的新思路，为技术的发展提供了一个新的方向，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，所述根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的重量百分比具体为：根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的原子百分比后将其转化为重量百分比。
如上所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，所述合金化熔炼具体为采用真空电弧熔炼法对各组元进行熔炼。本发明的合金化熔炼并不仅限于此，此处仅列举一种可行的技术方案，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的合金化熔炼方法。
如上所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，所述合金化熔炼在电磁搅拌下至少重复五次，重复的次数具体可根据实际情况设置。
如上所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，所述合金化熔炼后在水冷铜坩埚中直接凝固成锭后在真空炉中高温均匀化。
如上所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，所述高温均匀化的处理温度为1050℃～1150℃，处理时间为4h～6h。
有益效果：
(1)本发明的基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，基于高熵合金的δ和Md与其相组成之间的联系预测Al系高熵合金的相结构，进而获得理想的相组成，从而获得性能优异的Al系高熵合金；
(2)本发明的基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，准确可靠，避免了现有技术需实际熔炼后对合金进行分析才可了解其相结构造成的成本及时间上的极大浪费，能够有效提高制备Al系高熵合金的效率，降低Al系高熵合金的制备成本，极具应用前景。
附图说明
图1为Al系高熵合金的Md-δ与相组成的关系图；
图2为AlCoCr0.5FexNi2.5(x＝0.5、1.5、2.5、3.5)高熵合金的XRD图；
图3为AlxCoCrFeNi(x＝0.25、1.25)高熵合金的XRD图。
具体实施方式
下面实施例选择Al、Co、Cr、Fe、Ni五种过渡元素组成的高熵合金。
实施例1
一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，具体用于分析在不同Fe含量下的高熵合金AlCoCr0.5FexNi2.5的相组成，其步骤为：
(1)Al系目标高熵合金为AlCoCr0.5FexNi2.5(x＝0.5、1.5、2.5、3.5)，由
Figure BDA0003083513400000051
式中xi为i组元的原子百分比，(Md)i表示i组元的Md值，原子半径差计算公示如下：
Figure BDA0003083513400000052
式中：δr是原子半径差参数，
Figure BDA0003083513400000053
是所有组元的加权平均原子半径，ri为组元i的原子半径，ci为组元i的原子分数。计算可得：AlCoCr0.5Fe0.5Ni2.5的
Figure BDA0003083513400000054
δr＝5.580％；AlCoCr0.5Fe1.5Ni2.5的
Figure BDA0003083513400000055
δr＝5.276％；AlCoCr0.5Fe2.5Ni2.5的
Figure BDA0003083513400000056
δr＝5.009％；AlCoCr0.5Fe3.5Ni2.5的
Figure BDA0003083513400000057
δr＝4.774％；
(2)根据Md-δ与相结构的关系，可以预测AlCoCr0.5Fe0.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe1.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe2.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe3.5Ni2.5合金在铸态下均为FCC+BCC双相结构；
(3)根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的原子百分比后将其转化为重量百分比后进行合金化熔炼，用真空电弧熔炼法制备了含有高纯度金属(99.5％)元素的AlCoCr0.5Fe0.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe1.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe2.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe3.5Ni2.5合金，每种合金的熔化过程在电磁搅拌下至少重复五次，以确保化学均匀性，这些合金在水冷铜坩埚中直接凝固成锭，然后在真空炉中于1050～1150℃均匀化4～6小时。
而后通过机械研磨、抛光和王水侵蚀制得的Al系目标高熵合金，用XRD分析合金晶体结构结构(XRD结果如图2所示)，结果发现，从衍射峰可以识别出以上合金(AlCoCr0.5Fe0.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe1.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe2.5Ni2.5、AlCoCr0.5Fe3.5Ni2.5)均包含FCC和BCC混合相。
实施例2
一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，，具体用于分析在不同Al含量下的高熵合金AlxCoCrFeNi(x＝0.25、1.25)的相组成，其步骤为：
(1)Al系目标高熵合金为AlxCoCrFeNi(x＝0.25、1.25)，由如实施例1所述的公式计算可得：Al0.25CoCrFeNi的
Figure BDA0003083513400000061
δr＝3.477％；Al1.25CoCrFeNi的
Figure BDA0003083513400000062
δr＝6.116％；
(2)根据Md-δ与相结构的关系，可以预测Al0.25CoCrFeNi合金在铸态下为FCC相结构，Al1.25CoCrFeNi合金在铸态下形成有序结构或者形成金属间化合物；
(3)根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的原子百分比后将其转化为重量百分比后进行合金化熔炼，用真空电弧熔炼法制备了含有高纯度金属(99.5％)元素的Al0.25CoCrFeNi和Al1.25CoCrFeNi合金，每种合金的熔化过程在电磁搅拌下至少重复五次，以确保化学均匀性，这些合金在水冷铜坩埚中直接凝固成锭，然后在真空炉中于1050～1150℃均匀化4～6小时。
而后通过机械研磨、抛光和王水侵蚀制得的Al0.25CoCrFeNi和Al1.25CoCrFeNi合金，用XRD分析合金晶体结构结构(XRD结果如图3所示)，结果发现，从衍射峰可以识别出Al0.25CoCrFeNi只有FCC相，Al1.25CoCrFeNi合金中存在有序结构。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (6)

1.一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，首先算得Al系目标高熵合金的平均Md值和平均δ值，然后根据平均Md值和平均δ值的关系获取Al系目标高熵合金的相结构，再根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的重量百分比，最后按重量百分比称取各组元进行合金化熔炼制得Al系目标高熵合金；
所述根据平均Md值和平均δ值的关系获取Al系目标高熵合金的相结构是指δ≤4.5％则Al系目标高熵合金在铸态下生成FCC单相；Md<1.06且δ>4.5％则Al系目标高熵合金在铸态下生成FCC+BCC双相结构；Md≥1.06则Al系目标高熵合金在铸态下形成有序结构或者形成金属间化合物；其中，Md和δ分别为Al系目标高熵合金的平均Md值和平均δ值。
2.根据权利要求1所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，所述根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的重量百分比具体为：根据Al系目标高熵合金的相结构及表达式获取各组元的原子百分比后将其转化为重量百分比。
3.根据权利要求1所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，所述合金化熔炼具体为采用真空电弧熔炼法对各组元进行熔炼。
4.根据权利要求3所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，所述合金化熔炼在电磁搅拌下至少重复五次。
5.根据权利要求4所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，所述合金化熔炼后直接凝固成锭后在真空炉中高温均匀化。
6.根据权利要求5所述的一种基于Md-δ进行Al系高熵合金相结构预测的方法，其特征在于，所述高温均匀化的处理温度为1050℃～1150℃，处理时间为4h～6h。
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