本发明涉及合金冶炼技术领域，更具体的说是涉及一种高强韧高熵合金及其制备方法。
背景技术：
高熵合金(high-entropyalloys)简称hea，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。过往的概念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。
高熵合金由于严重的晶格畸变效应、缓慢的扩散效应和“鸡尾酒”效应，使其具有非常优良的机械性能、耐热性能、耐磨性能和抗蠕变性能，在工业生产中有很大的应用潜质，引起材料工作者的极大关注。然而，由于高熵合金含有多种组元，使得高熵合金容易形成大量复杂的脆性析出相；此外，加入大原子半径的合金元素，也可以引起合金晶格发生严重畸变，甚至导致晶格失稳发生坍塌，形成许多复杂的金属间化合物。以上因素导致高熵合金形成高强低韧的性能特征，塑性和韧性的不足造成高熵合金无法满足服役需求。
因此，研制一种具有良好强韧性的新型高熵合金是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强韧高熵合金及其制备方法，以解决现有技术中的不足。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强韧高熵合金，以质量百分比计，包括以下原料：ni：20.7％-28.0％、cr：18.8-24.8％、co：19.5％-28.5％、fe：20.5-27.0％、ti：1.5％-8.0％，al：0.1％-4.0％，c：0.1％-0.8％，余量为杂质。
优选为：ni：24.6％、cr：21.5％、co：24.3％、fe：23.5％、ti：4.0％，al：1.8％，c：0.3％，余量为杂质。
本发明的有益效果在于：由于ni，cr，co，fe四种元素的原子半径尺寸较为接近，更有利于形成无限固溶体。ni元素具有良好的塑性、耐腐蚀性和耐高温性；cr元素有利于提高合金的硬度和耐磨性；co元素可富集在合金的枝晶间起到粘合剂的作用，降低合金的脆性，防止合金冷却时发生断裂；fe元素提高合金体系的混合熵，降低合金成本；ti和al这两种大尺寸元素的加入会加剧组织的晶格畸变程度，从而提高合金强度和硬度；添加微量非金属元素c可提高合金的机械性能。
进一步，上述杂质为氧及少量氧化物(合金在高温条件下与真空炉内的残余氧生成氧化物)。
上述高强韧高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按上述高强韧高熵合金的质量百分比称取镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉，置于铜坩埚内；
(2)先向铜坩埚内通入高纯氩气进行洗气，再抽低真空至10pa以下，然后抽高真空至3×10-3pa以下，最后充入高纯氩气作为保护气体；
(3)通电，先设置熔化电流为300-400a，稳定3-5min；再设置熔化电流为200-300a，稳定1-2min；然后设置熔化电流为500-600a，稳定2-3min，得到熔化合金；
(4)打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为15-25a，加热3-8min；然后降低熔化电流为100-150a，稳定0.5-2min，冷却后得到合金铸锭；
(5)将合金铸锭翻转，反复熔炼5-6次，即得高强韧高熵合金。
进一步，上述步骤(1)中，在称取前，去除镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的氧化皮，并清洗干净，干燥保存。
进一步，上述步骤(1)中，镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉的纯度均≥99.9％；镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的粒度均为ф3×8mm，石墨粉的粒度为45-75μm。
采用上述进一步的有益效果在于，金属纯度越高，熔炼合金杂质越少；所选粒度方便称量和熔炼。
进一步，上述步骤(1)中，铜坩埚内自上而下顺序依次为铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉。
采用上述进一步的有益效果在于，由于本发明合金体系各组元的熔点、密度有差异，所以熔炼时将低熔点的元素单质放在铜坩埚的底部，防止挥发或者飞溅；高熔点的单质放在上部，优先熔化。
进一步，上述步骤(2)中，高纯氩气作为保护气体时的气压为300-700pa。
采用上述进一步的有益效果在于，往真空炉内充入300-700pa的高纯度氩气充当保护气，可防止高温下合金和炉内的残余氧发生反应。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明以nicrcofetialc体系为研究对象，利用具有完全自主产权编写的大数据库模型对合金的结构稳定性及力学性能进行计算，得到新的nicrcofetialc系合金成分，借助真空电弧熔炼成功地制备出具有良好强韧性的nicrcofetialc系高熵合金，此合金不同于任何一种现存合金，能够满足某些特殊场合的使用需求。
附图说明
为了更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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为实施例1高强韧高熵合金的xrd图谱；
图2为实施例1高强韧高熵合金的应力应变曲线；
图3为实施例2高强韧高熵合金的xrd图谱；
图4为实施例2高强韧高熵合金的应力应变曲线；
图5为实施例3高强韧高熵合金的xrd图谱；
图6为实施例3高强韧高熵合金的应力应变曲线。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
高强韧高熵合金，以质量百分比计，包括以下原料：ni：25.8％、cr：20.3％、co：24.3％、fe：23.5％、ti：4.0％，al：1.8％，c：0.3％，余量为杂质(氧及合金在高温条件下与真空炉内的残余氧生成的氧化物)。
上述高强韧高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)去除镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的氧化皮，并利用超声波清洗机清洗干净，干燥保存，按上述质量百分比称取镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉，并按照自上而下的顺序依次将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉置于铜坩埚内；
其中，镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉的纯度均≥99.9％；镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的粒度均为ф3×8mm，石墨粉的粒度为45μm；
(2)先向铜坩埚内通入高纯氩气进行洗气，再抽低真空至10pa以下，然后抽高真空至3×10-3pa以下，最后充入高纯氩气作为保护气体，气压为300pa；
(3)通电，先设置熔化电流为300a，稳定5min，使得纯单质钛锭完全熔化，以便吸收炉内剩余的游离氧；再设置熔化电流为200a，稳定2min；然后设置熔化电流为500a，稳定3min，持续加热将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉充分熔化后，得到熔化合金；
(4)打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为15a，加热8min，使合金成分充分均匀；然后逐渐降低熔化电流为100a，稳定2min，冷却后得到高致密的合金铸锭；
(5)将合金铸锭翻转，反复熔炼5次，即得成分均匀的高强韧高熵合金。
图1为实施例1高强韧高熵合金的xrd图谱。
由图1可知，此合金形成单一的fcc固溶体，说明各种合金元素固溶到一块，组织成分相对均匀，通过本实施例成分可以制备出性能稳定的合金。
图2为实施例1高强韧高熵合金的应力应变曲线。
由图2可知，此合金抗拉强度为786.2mpa，拉伸应变为46.7％。
实施例2
高强韧高熵合金，以质量百分比计，包括以下原料：ni：24.6％、cr：21.5％、co：22.4％、fe：25.4％、ti：4.0％，al：1.8％，c：0.3％，余量为杂质(氧及合金在高温条件下与真空炉内的残余氧生成的氧化物)。
上述高强韧高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)去除镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的氧化皮，并利用超声波清洗机清洗干净，干燥保存，按上述质量百分比称取镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉，并按照自上而下的顺序依次将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉置于铜坩埚内；
其中，镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉的纯度均≥99.9％；镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的粒度均为ф3×8mm，石墨粉的粒度为60μm；
(2)先向铜坩埚内通入高纯氩气进行洗气，再抽低真空至10pa以下，然后抽高真空至3×10-3pa以下，最后充入高纯氩气作为保护气体，气压为500pa；
(3)通电，先设置熔化电流为250a，稳定6min，使得纯单质钛锭完全熔化，以便吸收炉内剩余的游离氧；再设置熔化电流为200a，稳定2min；然后设置熔化电流为550a，稳定3min，持续加热将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉充分熔化后，得到熔化合金；
(4)打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为20a，加热6min，使合金成分充分均匀；然后逐渐降低熔化电流为120a，稳定1min，冷却后得到高致密的合金铸锭；
(5)将合金铸锭翻转，反复熔炼6次，即得成分均匀的高强韧高熵合金。
图3为实施例2高强韧高熵合金的xrd图谱。
由图3可知，此合金形成单一的fcc固溶体，说明各种合金元素固溶到一块，组织成分相对均匀，通过本实施例成分可以制备出性能稳定的合金。
图4为实施例2高强韧高熵合金的应力应变曲线。
由图4可知，此合金抗拉强度为795.2mpa，拉伸应变53.2％。
实施例3
高强韧高熵合金，以质量百分比计，包括以下原料ni：24.6％、cr：21.5％、co：24.3％、fe：22.5％、ti：5.0％，al：1.8％，c：0.3％，余量为杂质(氧及合金在高温条件下与真空炉内的残余氧生成的氧化物)。
上述高强韧高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)去除镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的氧化皮，并利用超声波清洗机清洗干净，干燥保存，按上述质量百分比称取镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉，并按照自上而下的顺序依次将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉置于铜坩埚内；
其中，镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉的纯度均≥99.9％；镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的粒度均为ф3×8mm，石墨粉的粒度为75μm；
(2)先向铜坩埚内通入高纯氩气进行洗气，再抽低真空至10pa以下，然后抽高真空至3×10-3pa以下，最后充入高纯氩气作为保护气体，气压为700pa；
(3)通电，先设置熔化电流为400a，稳定3min，使得纯单质钛锭完全熔化，以便吸收炉内剩余的游离氧；再设置熔化电流为300a，稳定1min；然后设置熔化电流为600a，稳定2min，持续加热将铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉充分熔化后，得到熔化合金；
(4)打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为25a，加热3min，使合金成分充分均匀；然后逐渐降低熔化电流为150a，稳定0.5min，冷却后得到高致密的合金铸锭；
(5)将合金铸锭翻转，反复熔炼6次，即得成分均匀的高强韧高熵合金。
图5为实施例3高强韧高熵合金的xrd图谱。
由图5可知，此合金形成单一的fcc固溶体，说明各种合金元素固溶到一块，组织成分相对均匀，通过本实施例成分可以制备出性能稳定的合金。
图6为实施例3高强韧高熵合金的应力应变曲线。
由图6可知，此合金抗拉强度为725.2mpa，拉伸应变42.7％。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种高强韧高熵合金，其特征在于，以质量百分比计，包括以下原料：ni：20.7％-28.0％、cr：18.8-24.8％、co：19.5％-28.5％、fe：20.5-27.0％、ti：1.5％-8.0％，al：0.1％-4.0％，c：0.1％-0.8％，余量为杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧高熵合金，其特征在于，以质量百分比计，包括以下原料：ni：24.6％、cr：21.5％、co：24.3％、fe：23.5％、ti：4.0％，al：1.8％，c：0.3％，余量为杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高熵合金，其特征在于，所述杂质为氧和氧化物。
4.一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)按权利要求1-3任一项所述高强韧高熵合金的质量百分比称取镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉，置于铜坩埚内；
(2)先向铜坩埚内通入高纯氩气进行洗气，再抽低真空至10pa以下，然后抽高真空至3×10-3pa以下，最后充入高纯氩气作为保护气体；
(3)通电，先设置熔化电流为300-400a，稳定3-5min；再设置熔化电流为200-300a，稳定1-2min；然后设置熔化电流为500-600a，稳定2-3min，得到熔化合金；
(4)打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为15-25a，加热3-8min；然后降低熔化电流为100-150a，稳定0.5-2min，冷却后得到合金铸锭；
(5)将合金铸锭翻转，反复熔炼5-6次，即得所述高强韧高熵合金。
5.根据权利要求4所述的一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在称取前，去除镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的氧化皮，并清洗干净，干燥保存。
6.根据权利要求4所述的一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒、铝粒和石墨粉的纯度均≥99.9％；所述镍粒、铬粒、钴粒、铁粒、钛粒和铝粒的粒度均为ф3×8mm，所述石墨粉的粒度为45-75μm。
7.根据权利要求4所述的一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铜坩埚内自上而下顺序依次为铬粒、钛粒、铁粒、钴粒、镍粒、铝粒和石墨粉。
8.根据权利要求4所述的一种高强韧高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高纯氩气作为保护气体时的气压为300-700pa。
技术总结