CN115976351B - 基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织结构与力学性能的方法，具体涉及基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法。该方法包含重融和热处理两个步骤，重融过程利用石墨模具进行快速冷却至室温得到重融铸锭，其中重融步骤使得合金组织形貌发生较大改变，FCC初生相增多，且初生相周围有尺寸较小的共晶胞，再对合金进行不同温度和时间的热处理，通过改变初生相、共晶B2相的析出沉淀颗粒尺寸增强析出强化效应，从而提升合金力学性能；其中，热处理温度为900℃、热处理时间4h，得到的合金力学性能最优。

Description

基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金力学性 能的方法

技术领域

本发明涉及一种优化AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织结构与力学性能的方法，具体涉及基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法。

背景技术

共晶高熵合金作为高熵合金的一个亚类，已成为金属合金研究领域的热点之一。它解决了单相高熵合金流动性和铸造性差的缺点，并具有可控的微观结构、良好的化学性能和优异的机械性能等优点。其中，具有双相(FCC/B2)结构的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金被广泛研究。

相关研究表明该共晶高熵合金具备18±2％的良好塑性和1000±50MPa的高拉伸断裂强度，且由于其拥有良好的铸造性，可成功制备大尺寸铸锭(2.5kg)且无明显偏析现象，因此该合金成为具有广泛的应用前景。但目前高熵合金由于成本较高难以在大尺寸进行多场景进行应用。相关研究多是通过激光熔覆技术加快冷却速率使其组织尺寸减小实现细晶强化或是对铸态合金进行轧制将其内部晶粒破碎实现细晶强化从而提升力学性能，但是这些方法仍然难以实现满足大块尺寸的应用。然而大块铸态合金后续减材加工过程中会产生许多边角料或是高熵合金在使用过程中发生失效，如果将这些废料能利用起来通过一定处理重新满足工业需求，即环保又高效。常见的材料四大强化手段包括：细晶强化、析出强化、固溶强化、加工硬化。细晶强化除了通过物理手段破坏晶粒外还可以通过改变过冷度实现，析出强化可以通过设置合理热处理工艺参数使得部分组织产生析出相从而带来析出强化或是将已存在的析出相通过热处理继续改变其形貌和尺寸提升析出强化效果。

固溶强化一般是引入原子半径较大的元素但这提高了成本，加工硬化难以实现特殊尺寸的应用要求。本发明通过对AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金进行重融与热处理，改变合金凝固过程的过冷度实现细晶强化并通过设置合理的热处理工艺参数增强析出强化效果从而提升其力学性能，实现废料重复利用，绿色环保。但是，如何设置合理的工艺参数来改变AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织形貌，实现高强度、高韧性的合理配置，成为所亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金力学性能的方法，优化工艺参数，通过重融步骤实现公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织细化，再通过合理的热处理步骤增强析出强化效应，从而提高该合金的力学性能。采用的技术方案为：

基于重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金力学性能的方法，先通过重融步骤在石墨模具中进行凝固，实现公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织细化，再通过热处理步骤增强析出强化效应。

所述方法具体包括以下步骤：

①准备工作：将5kg的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金铸锭进行表面打磨去除掉表面杂质，将其切割至小块再打磨，备用；

②真空熔炼：首先对真空熔炼炉进行预热烘干坩埚内的水蒸气防止对实验产生影响，接着将准备好的金属块均匀放入坩埚内，关闭真空中频感应炉的炉门，对炉内进行抽真空至10^-3Pa，开始加热至原料全部红热为1700℃后保持功率不变10min，轻动熔炼炉摇杆使得元素均匀融化，再将熔炼炉功率提高使其达到1900℃待原料完全融化继续熔炼10min，彻底保证金属小块完全融化并使得元素分布均匀；

③凝固过程：将融化的金属液倒入提前预热至400℃的石墨模具中，减轻合金凝固发生开裂现象，同时凝固过程炉内充入高压惰性气体使得金属凝固更加密实减少铸造气孔；随炉冷却20min后取出石墨模具进行空冷至室温20℃，得到重融的方形铸锭；

④热处理：将重融后的铸锭表面打磨至1000目，使其表面干净防止杂质对热处理实验影响，将试样放入马弗炉里进行热处理，加热温度为900-1100℃、加热时间为1-4h，热处理完毕后随炉冷却至室温20℃，得热处理后的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金成品。

优选的，所述步骤①中，切割小块尺寸小于1×1×1cm，再将各小块表面用砂纸打磨至1000目，保证各小块在重融步骤中能顺利融化且防止杂质影响重融后实验结果。

优选的，所述步骤③中，炉内充入的高压惰性气体为氩气。

优选的，所述步骤④热处理工艺中，具体是将重融后的铸锭切割至3×3×1cm相同大小的6个小块，表面用1000目砂纸打磨干净后，在马弗炉里分别进行900℃/1h、900℃/4h、1000℃/1h、1000℃/4h、1100℃/1h、1100℃/4h的热处理。

优选的，所述步骤④热处理工艺中，放入马弗炉里采用的温度为900℃，时间为4h，所得样品的压缩应变为45.82％，断裂强度为2950Mpa。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明对AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金提高力学性能的方法包含重融和热处理两个步骤，选用的重融工艺具有能清洁环保、简单高效等特点，避免传统添加孕育剂方法污染环境和金属材料本体的问题；同时重融将合金重复利用实现回收简单，后续通过热处理工艺提高析出强化效应，并寻找最佳温度和时间提高材料力学性能。

(2)本发明采用重融及热处理两个步骤改善AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织形貌的方法，对AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金进行重融工艺，利用石墨模具进行快速冷却至室温，其中重融步骤使得合金组织形貌发生较大改变，FCC初生相增多，且初生相周围有尺寸较小的共晶胞，同时由于冷却速率较快共晶胞尺寸相较与原铸态合金明显减小。

(3)本发明对AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金重融后，对合金进行不同温度和时间的热处理，通过改变初生相、共晶B2相的析出沉淀颗粒尺寸增强析出强化效应，从而提升合金力学性能，其中，热处理温度为900℃、热处理时间4h，得到的合金力学性能最优。

附图说明

图1为本发明方法实验熔炼炉示意图及流程图；

图2为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8共八个试样的XRD衍射图，其中实施例1-8中的试样分别记为AC(原铸态)、RM(重融铸态)、9-1(900℃/1h)、9-4(900℃/4h)、10-1(1000℃/1h)、10-4(1000℃/1h)、11-1(1100℃/1h)、11-4(1100℃/4h)；

图3为实施例1、实施例2、实施例3、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的金相显微(OM)形貌；

图4为实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金中初生相中针状析出物的扫描电子显微镜(SEM)图像；

图5为热处理试样的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金中初生相中针状析出物的EDS图像。

图6为实施例1、实施例2、实施例4、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的平直层片共晶形貌图；

图7为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金中共晶B2相内析出相的扫描电子显微镜(SEM)图像；

图8为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的压缩应力-应变曲线图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中的某些公知结构及其说明可能省略。

为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

实施例1

①准备工作：准备摩尔比为1:1:1:1:2.1的Al、Co、Cr、Fe、Ni重量为5kg的金属原料；准备一个中间有石英的砂型。用高压惰性气体(氩气)对准备好的砂型进行清理防止杂质影响，并将砂型预热至350℃，并将型砂置于坩埚下方。

②真空熔炼：首先对真空熔炼炉进行预加热烘干坩埚内的水蒸气防止对实验产生影响，接着将准备好的Al、Co、Cr、Fe、Ni的金属块按照熔点由高到低依次放入坩埚内，关闭真空中频感应炉的炉门，对炉内进行抽真空至10^-3Pa，开始加热至原料全部红热为1400℃后保持功率不变10min轻动熔炼炉遥感使得元素均匀融化，再将熔炼炉功率提高使其达到1650℃待原料完全融化继续熔炼8min，彻底保证原料完全融化均匀。

③真空浇铸：将融化的金属液倒入提前预热至350℃的砂芯中，同时炉内充入高压惰性气体(氩气)使得金属凝固更加密实减少铸造气孔。

④凝固：待铸锭冷却至室温后从熔炼炉中取出，得到方形的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金铸锭(标记为铸态AC)。

实施例2

①准备工作：将实施例1中的5kg的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金铸锭进行表面打磨去除掉表面杂质，将大块原材料切割至尺寸小于1×1×1cm小块并将小块表面用砂纸打磨干净，保证小块在重融步骤中能顺利融化且防止杂质影响重融后实验结果。

②真空熔炼：首先对真空熔炼炉进行预热烘干内部的水蒸气防止对实验结果产生影响。接着将准备好的金属小块均匀放入坩埚内，关闭真空中频感应炉的炉门，对炉内进行抽真空至10^-3Pa，开始加热至原料全部红热为1700℃后保持功率不变10min多次轻摇熔炼炉摇杆使得小块均匀融化，再将熔炼炉功率提高使其达到约1900℃待原料完全融化继续熔炼10min，彻底保证金属小块完全融化并使得元素分布均匀。

③凝固过程：将融化的金属液倒入提前预热至400℃的石墨模具中，减轻合金凝固发生开裂现象，同时炉内充入高压惰性气体(氩气)，使得金属凝固更加密实减少铸造气孔。随炉子冷却20min后取出坩埚进行空冷至室温20℃得到重融的方形铸锭(标记为重融铸锭RM)。

实施例3

如图1所示，(a)为实验熔炼炉示意图，(b)为流程图。

①准备工作：将实施例1中的5kg的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金重融铸锭进行表面打磨去除掉表面杂质，将大块原材料切割至尺寸小于1×1×1cm小块试样，再次将小样表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响实验结果；

②真空熔炼：首先对真空熔炼炉进行预热烘干坩埚内的水蒸气防止对实验产生影响，接着将准备好的金属块均匀放入坩埚内，关闭真空中频感应炉的炉门，对炉内进行抽真空至10^-3Pa，开始加热至原料全部红热为1700℃后保持功率不变10min，轻动熔炼炉摇杆使得元素均匀融化，再将熔炼炉功率提高使其达到1900℃待原料完全融化继续熔炼10min，彻底保证金属小块完全融化并使得元素分布均匀；

③凝固过程：将融化的金属液倒入提前预热至400℃的石墨芯的坩埚中，减轻合金凝固发生开裂现象，同时坩埚内充惰性气体使得金属凝固更加密实减少铸造气孔；随炉冷却20min后取出石墨磨具进行空冷至室温20℃得到重融的方形铸锭；

④热处理：将重融后的铸锭切割至出相同大小(长宽高为3×3×1cm)的6小块，取其中一块将表面用打磨至1000目，使其表面干净防止杂质对热处理实验影响，将试样放入马弗炉里进行900℃/1h热处理，并随炉冷却至室温20℃，得成品取出，标记9-1。

实施例4

热处理：将大块重融铸锭切割出长高宽为3×3×1cm的小块，再次将小块表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响热处理实验结果。将小块放入至马弗炉内进行900℃/4h热处理并随炉冷却至室温20℃取出，标记9-4。

其他未述及的地方同实施例3。

实施例5

热处理：将大块重融铸锭切割出长高宽为3×3×1cm的小块，再次将小块表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响热处理实验结果。将小样放入至马弗炉内进行1000℃/1h热处理并随炉冷却至室温20℃取出，标记10-1。

其他未述及的地方同实施例3。

实施例6

热处理：将大块重融铸锭切割出长高宽为3×3×1cm的小块，再次将小块表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响热处理实验结果。将小样放入至马弗炉内进行1000℃/4h热处理并随炉冷却至室温20℃取出标记10-4。

其他未述及的地方同实施例3。

实施例7

热处理：将大块重融铸锭切割出长高宽为3×3×1cm的小块，再次将小块表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响热处理实验结果。将小样放入至马弗炉内进行1100℃/1h热处理并随炉冷却至室温20℃取出，标记11-1。

其他未述及的地方同实施例3。

实施例8

热处理：将大块重融铸锭切割出长高宽为3×3×1cm的小块，再次将小块表面用砂纸打磨至1000目，防止杂质影响热处理实验结果。将小样放入至马弗炉内进行1100℃/4h热处理并随炉冷却至室温20℃取出，标记11-4。

其他未述及的地方同实施例3。

对实施例1～实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金进行了X射线衍射图谱(XRD)测试，表征合金的晶体结构，结果见图2所示。由图可见：铸态(AC)与重融铸锭(RM)以及重融后再进行热处理的样品都由FCC和B2(BCC)两相组成，并未产生其他新相。

对实施例1～实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金进行了金相显微镜、扫描电子显微镜测试以及能谱测试(EDS)，表征合金的微观组织形貌，结果见图3～图7。

由图3(a)可见：AC试样显微组织展现了树枝晶状初生相和层片状共晶组织形貌，且共晶胞由中间平直规则层片和四周不规则的层片组织组成。由图3(b)可见：RM试样组织形貌仍然由树枝晶状初生相和层片状共晶胞组成，但是初生相变为明显的树枝晶状，共晶胞尺寸较AC试样明显减小，说明重融步骤减小共晶胞尺寸起到细晶强化作用。由图3(c)和(d)可见热处理使得初生相中产生了析出相，在11-4试样中该现象最明显。

由图4可见：经重融及热处理后的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的初生相中针状析出物尺寸明显随着热处理的温度和时间的增大而增大，但针状物密度在1100℃时明显降低，9-4试样的针状物密度最大。该现象表明热处理步骤有效使得初生相中产生析出物。

由图5可见：初生相中针状析出物为富集Al、Ni元素的B2(BCC)相，其硬度强于FCC相，该现象增强了合金的析出强化效应。

由图6可见：RM、9-1、11-4试样的共晶胞内层片距离明显小于AC试样。

由图7可见：AC和RM试样共晶B2相中均存在析出颗粒，但前者的析出颗粒平均尺寸更大。热处理试样9-1、9-4、10-1的共晶B2均存在明显的析出颗粒，且尺寸远远大于RM及AC试样，但随着热处理温度和时间的增大该析出物开始溶解消失。该现象表明热处理步骤也改变了合金共晶胞内B2相的析出颗粒的尺寸和形貌。

对实施例1～实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金采用万能试验机进行了压缩性能测试，结果见图8和表1。表1为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的压缩屈服强度、压缩断裂强度和压缩应变。

表1不同AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金试样的压缩性能

由图8和表1可见：AC试样的断裂强度为2329MPa，当RM试样的断裂强度为2205MPa两者断裂强度相近。所有热处理试样的断裂强度和压缩应变明显大于AC和RM试样。这得益于初生相中针状析出物为富集Al、Ni元素的B2(BCC)相其强度高于FCC相，析出强化明显提高，使得各热处理试样的断裂强度明显提高。另外，初生相为FCC相其滑移带较多塑性好，热处理试样的初生相占比高于AC试样，因此它们塑性优于AC试样。各个热处理试样相对比综合性能最优的为9-4试样，其屈服强度为654MPa，相比RM试样提升14.1％，这归因于初生相中高密度的B2(BCC)相针状析出物带来的高强度、共晶胞尺寸减小所带来的细晶强化效果，以及根据Hall-Pach关系共晶胞层片距离越小所带来的屈服强度增加效果越明显。压缩应变为45.82％，较AC试样提升17.8％RM，较RM试样提升27.1％；其断裂强度为最大2950Mpa；较AC试样提升26.7％，较RM试样提升33.8％。其同时具备高强度和高韧性，可归因于初生相中高密度针状析出物提供了高强度，在变形过程中针状物能够有效延缓位错的运动，使得合金断裂失效更难发生，另外根据奥罗万机理共晶B2相中大尺寸析出颗粒会阻碍位错在B2相阻碍位错运动，以上现象使得9-4试样应变硬化阶段更持久。即9-4试样的双析出强化效果及初生相+针状物协同变形外加共晶组织原本存在的共晶FCC/B2双相的协同变形最终使得其压缩应变及断裂强度大幅度提升。

综上所述，本发明提供一种重融工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法：即在通过AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金进行重融并在石墨模具凝固，随后通过合理的热处理参数，得到高强度高塑性的合金，该方法价格低廉、高效、清洁环保、绿色节能。此外，AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金重融后经石墨模具凝固，并在900℃/4h热处理后所得合金强度和塑性比AC及RM试样显著提高。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于重熔工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法，其特征在于，先通过重熔步骤在石墨模具中进行凝固，实现公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金组织细化，再通过热处理步骤增强析出强化效应；

具体方法包括以下步骤：

①准备工作：将5kg的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金铸锭进行表面打磨去除掉表面杂质，将其切割至小块再打磨，备用；

②真空熔炼：首先对真空熔炼炉进行预热烘干坩埚内的水蒸气防止对实验产生影响，接着将准备好的金属块均匀放入坩埚内，关闭真空中频感应炉的炉门，对炉内进行抽真空至10^-3 Pa，开始加热至原料全部红热为1700℃后保持功率不变10min，轻动熔炼炉摇杆使得元素均匀融化，再将熔炼炉功率提高使其达到1900℃待原料完全融化继续熔炼10min，彻底保证金属小块完全融化并使得元素分布均匀；

③凝固过程：将融化的金属液倒入石墨模具中，同时炉内充高压惰性气体使得金属凝固更加密实减少铸造气孔，其中，融化的金属液倒入石墨模具进行凝固之前，石墨模具要提前进行预热，预热温度为400℃；

冷却至室温得到重熔的方形铸锭；其中，冷却方式是随炉冷却20min，后取出石墨模具进行空冷至室温20℃；

④热处理：将重熔后的铸锭切割至3×3×1cm相同大小的6个小块，再将小块表面用砂纸打磨至1000目，使其表面干净防止杂质对热处理实验影响，将试样放入马弗炉里进行热处理，加热温度为900℃、加热时间为4h，热处理完毕后随炉冷却至室温20℃，得热处理后的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金成品，所得成品的压缩应变为45.82%，断裂强度为2950MPa。

2.根据权利要求1所述的基于重熔工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法，其特征在于，所述步骤①中，切割的小块尺寸小于1×1×1cm，再将小块表面用砂纸打磨至1000目。

3.根据权利要求1所述的基于重熔工艺提升公斤级AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金力学性能的方法，其特征在于，所述步骤③中，炉内充入的惰性气体为氩气。