本發(fā)明屬于高熵合金材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用感應(yīng)加熱設(shè)備和中間合金原料制備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法。
背景技術(shù)：
：高熵合金以其獨特的合金設(shè)計理念和優(yōu)異的性能吸引了廣大科研人員的關(guān)注。高的混合熵促使高熵合金凝固后表現(xiàn)為簡單的面心立方(FCC)、體心立方(BCC)等固溶體結(jié)構(gòu)。獨特的結(jié)構(gòu)使高熵合金在眾多方面擁有優(yōu)異的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，高熵合金固溶體結(jié)構(gòu)在高溫時具有好的熱穩(wěn)定性和強度，這一特性使其有望在航空發(fā)動機、輪船發(fā)動機、超超臨界電站鍋爐關(guān)鍵金屬部件等領(lǐng)域得到應(yīng)用；高熵合金中的某些元素可以形成致密的氧化膜，有利于開發(fā)出高溫耐氧化和高溫耐腐蝕的涂層材料。高熵合金擁有巨大的工程應(yīng)用前景，然而其工程化應(yīng)用研究卻受限制于大體積合金錠的制備。目前高熵合金的制備方法主要分為以下五類，分別是：真空熔煉法、粉末冶金法、機械合金化法、激光熔覆法以及電化學(xué)沉積法。真空熔煉法是大多數(shù)研究者制備高熵合金所采用的方法，其主要工藝為：將一定比例的純金屬放入坩堝，然后于真空爐中反復(fù)抽真空后充入氬氣作為保護氣體，待全部均勻熔化后于水冷銅模中澆鑄成型。粉末冶金法是一種以金屬或非金屬粉末為原料，經(jīng)過壓制成型、燒結(jié)，制造金屬材料的一種工藝。機械合金化法是利用高能球磨機或研磨機對合金粉末進行長時間的激烈沖擊碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴散，實現(xiàn)固態(tài)合金化的一種方法。激光熔覆技術(shù)主要用來制備高熵合金涂層。該方法利用高能激光束輻照鋪設(shè)在基材表面的熔覆材料，通過迅速熔化、擴展和凝固來實現(xiàn)在基材表面形成熔覆層。而電化學(xué)沉積主要用于制備高熵合金薄膜，實際研究較少。以上五種方法均實現(xiàn)了高熵合金的制備，但無論是利用上述五種方法抑或是別的特殊方法，目前制備大體積高熵合金的報道極少，這與高熵合金多主元的特點有關(guān)。高熵合金各主元元素之間熔點差異大，低熔點的元素比如Al在高熔點元素熔化前存在嚴重揮發(fā)。另外，多主元特點使得成分均勻性成為大體積高熵合金制備的另外一個難點。目前，學(xué)者們多采用真空電弧熔煉獲得重量為幾十克的紐扣錠或幾十克的板狀鑄錠、棒狀鑄錠?；谛¤T錠的相關(guān)實驗大多停留在合金元素添加、熱處理、冷軋等，力學(xué)性能研究也停留在硬度測試、壓縮實驗、非標樣的拉伸實驗等，嚴重阻礙了高熵合金的工程化應(yīng)用研究。國外研究者中，有學(xué)者通過真空電弧熔煉獲得了重475gCoCrFeMnNi高熵合金(F.Otto,et.al.TheinfluencesoftemperatureandmicrostructureonthetensilepropertiesofaCoCrFeMnNihigh-entropyalloy,ActaMaterialia61(2013)5743-5755)。北京科技大學(xué)呂昭平等人利用真空感應(yīng)加熱，在BN坩堝中熔煉了2.5kgAlCoCrFeNi2.1高熵合金，并將其澆鑄到MgO模具中，得到重約2.5kg的AlCoCrFeNi2.1高熵合金，進而利用鑄錠進行了標準試樣的拉伸。本發(fā)明通過合理設(shè)計高熵合金熔煉工藝，采用中間合金為原料，基于真空感應(yīng)加熱方法，成功制備出大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金，經(jīng)過成分、組織以及物相分析，驗證了高熵合金鑄錠的組織均勻性與成分均勻性，為高熵合金的工程化應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能制備大體積高熵合金的不足，本發(fā)明提出了一種制備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法。本發(fā)明的具體過程是：步驟1，表面處理。所述表面處理是對FeCoCr及Ni2Al中間合金的表面打磨處理。所述表面處理時，將塊狀FeCoCr表面和塊狀Ni2Al表面打磨干凈，并置于丙酮溶液中超聲波清洗10min烘干。根據(jù)所制備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質(zhì)量比為2.3105:1；稱取FeCoCr與Ni2Al。步驟2，爐體預(yù)熱。所述爐體預(yù)熱時，在真空感應(yīng)熔煉爐的坩堝內(nèi)加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預(yù)熱體。對加入有預(yù)熱體的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至15Pa送電預(yù)熱，具體是，通電功率為10kW并保持10～15min；保持結(jié)束后將通電功率調(diào)整為20kW并保持20～30min；保持結(jié)束后繼續(xù)將通電功率調(diào)整為25kW保持1h。步驟3，裝料。步驟4，造型與烘型。造型完成后，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400～450℃，預(yù)熱時間4～6h。待預(yù)熱結(jié)束后，將砂箱轉(zhuǎn)移到熔煉爐體內(nèi)。步驟5，洗爐。所述洗爐時，對裝入砂箱的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空。當真空度5～10Pa時關(guān)閉真空泵，對熔煉室內(nèi)充入氬氣使爐內(nèi)壓力至0.05～0.06MPa。關(guān)閉充氬氣閥門，保持1～3min后打開真空泵，繼續(xù)抽真空至5～10Pa關(guān)閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內(nèi)壓力達到0.05～0.06MPa，關(guān)閉充氬氣閥門。如此再循環(huán)兩次后維持氬氣壓力0.05～0.06MPa。步驟6，真空感應(yīng)熔煉。在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣壓力0.05～0.06MPa下，調(diào)整該真空感應(yīng)熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫至1500～1550℃，保溫20～30min。步驟7，澆鑄。保溫結(jié)束后，采用重力澆鑄方式進行澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐。澆鑄完成后，砂箱在爐內(nèi)氬氣保護狀態(tài)下保持10～12h后打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂。鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之后利用吹砂機吹砂，清除污漬，最終得到Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。本發(fā)明摒棄了單質(zhì)原料，轉(zhuǎn)而采用中間合金為原料，極大地降低了低熔點元素Al在熔煉過程中的揮發(fā)。同時采用真空感應(yīng)加熱設(shè)備，利用感應(yīng)加熱設(shè)備所具有的電磁攪拌效果，使鑄錠的成分均勻性得到保證。在整個熔煉、澆鑄過程中合理地設(shè)計溫度等參數(shù)，獲得了成分準確、組織均勻致密、缺陷稀少的Al0.5CoCrFeNi高熵合金大體積鑄錠?，F(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)熔煉方法由于采用金屬單質(zhì)為原料，高熔點金屬與低熔點金屬之間巨大的熔點差異容易導(dǎo)致低熔點金屬在熔煉過程中過度揮發(fā)，使得最終合金錠成分出現(xiàn)偏差。本發(fā)明摒棄了單質(zhì)原料轉(zhuǎn)而采用中間合金，由于Ni2Al中間合金熔點比Al單質(zhì)高，而FeCoCr中間合金熔點比Cr單質(zhì)低，間接減小了最低熔點金屬Al與最高熔點金屬Cr之間的熔點差，避免了低熔點Al單質(zhì)在熔煉過程中的過度揮發(fā)問題。采用真空感應(yīng)加熱熔煉方法，利用感應(yīng)加熱中存在的電磁攪拌效果使多主元高熵合金的成分均勻性得到保證。通過合理地設(shè)計熔煉過程中的氣氛、氣壓、模具預(yù)熱溫度、熔煉溫度、保溫時間、澆鑄速度等參數(shù)，成功地制備出體積在15Kg以上的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。通過圖3可以看出，Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠不同區(qū)域的組織均勻，晶粒尺寸相近。圖4和圖5表明，Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠不同區(qū)域的組織均表現(xiàn)為簡單的體心立方與面心立方固溶體結(jié)構(gòu)。表1中鑄錠不同區(qū)域的成分結(jié)果則表明利用該方法制備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠成分準確、均勻，Al元素揮發(fā)問題得到很好的解決。本發(fā)明以實施例一得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠為例，利用化學(xué)法測量得到的鑄錠四個不同區(qū)域的成分：其中1#樣品來自鑄錠頂端邊部，2#樣品來自鑄錠頂端心部，3#樣品來自鑄錠底端邊部，4#樣品來自鑄錠底端心部。測量結(jié)果見表一：表1.Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠合金的不同部位成分Wt.％AlCoCrFeNi名義成分5.6524.6621.7623.3724.561#5.5224.5721.8923.3524.672#5.6724.7821.6123.3524.593#5.6124.5021.9423.3124.644#5.7024.6121.8223.2624.61表1中所述的名義成分是Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠的理論成分，即根據(jù)Al0.5CoCrFeNi換算得到的成分。附圖說明圖1是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠底部外觀照片；圖2是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠側(cè)面外觀照片；圖3是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金不同區(qū)域組織照片：其中(a)、(b)、(c)分別為鑄錠頂端邊部、中部、心部的微觀組織，(d)、(e)、(f)分別為鑄錠底部邊部、中部、心部的微觀組織；圖4是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠頂端不同區(qū)域的XRD圖譜：其中曲線1代表鑄錠頂端心部XRD圖譜，曲線2代表鑄錠頂端中部XRD圖譜，曲線3代表鑄錠頂端邊部XRD圖譜；圖5是得到的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠底端不同區(qū)域的XRD圖譜：其中曲線1代表鑄錠頂端心部XRD圖譜，曲線2代表鑄錠頂端中部XRD圖譜，曲線3代表鑄錠頂端邊部XRD圖譜；圖6是本發(fā)明的流程圖。圖中：1.鑄錠頂端心部XRD圖譜曲線；2.鑄錠頂端中部XRD圖譜曲線；3.鑄錠頂端邊部XRD圖譜曲線；4.BCC的峰值；5.FCC的峰值。具體實施方式實施例一本實施例是一種采用中間合金的FeCoCr和Ni2Al作為原料制備Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，該Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比為Al0.5CoCrFeNi。具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨干凈。將打磨后的FeCoCr和Ni2Al置于丙酮溶液中超聲波清洗10min后置于烘干箱中烘干，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現(xiàn)金屬光澤。根據(jù)所制備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質(zhì)量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為12kg，Ni2Al為5.194kg。步驟2，爐體預(yù)熱：在真空感應(yīng)熔煉爐的坩堝內(nèi)加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預(yù)熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應(yīng)加熱后產(chǎn)生的熱量對所述真空感應(yīng)熔煉爐的爐體進行預(yù)熱。對加入有預(yù)熱體的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至15Pa送電預(yù)熱，具體是，通電功率為10kW并保持10min；保持結(jié)束后將通電功率調(diào)整為20kW并保持20min；；保持結(jié)束后繼續(xù)將通電功率調(diào)整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預(yù)熱保溫結(jié)束后，取出所述預(yù)熱體，將經(jīng)過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規(guī)方法采用10～20目的上店砂造型。造型完成后，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為450℃，預(yù)熱時間為4h。預(yù)熱結(jié)束后，將砂箱轉(zhuǎn)移到真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)。步驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空。當真空度5Pa時關(guān)閉真空泵，對熔煉室內(nèi)充入氬氣使爐內(nèi)壓力至0.05MPa。關(guān)閉充氬氣閥門，保持1min后打開真空泵，繼續(xù)抽真空至5Pa關(guān)閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內(nèi)壓力達到0.05MPa，關(guān)閉充氬氣閥門。如此再循環(huán)兩次后維持氬氣壓力0.05MPa。步驟6，真空感應(yīng)熔煉：在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣壓力0.05MPa的條件下，調(diào)整該真空感應(yīng)熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1550℃，保溫20min。步驟7，澆鑄：保溫結(jié)束后澆鑄。澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成后，砂箱在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣保護狀態(tài)下保持10h，之后打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之后利用吹砂機吹砂，清除污漬，最終得到體積為15.57kg的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。實施例二本實施例是一種制備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨干凈。將打磨后的FeCoCr和Ni2Al置于丙酮溶液中超聲波清洗20min后置于烘干箱中烘干，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現(xiàn)金屬光澤。根據(jù)所制備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質(zhì)量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為15kg，Ni2Al為6.492kg。步驟2，爐體預(yù)熱：在真空感應(yīng)熔煉爐的坩堝內(nèi)加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預(yù)熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應(yīng)加熱后產(chǎn)生的熱量對所述真空感應(yīng)熔煉爐的爐體進行預(yù)熱。對加入有預(yù)熱體的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至15Pa送電預(yù)熱，具體是，通電功率為10kW并保持15min；保持結(jié)束后將通電功率調(diào)整為20kW并保持30min；；保持結(jié)束后繼續(xù)將通電功率調(diào)整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預(yù)熱保溫結(jié)束后，取出所述預(yù)熱體，將經(jīng)過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規(guī)方法采用10～20目的上店砂造型。造型完成后，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為6h。預(yù)熱結(jié)束后，將砂箱轉(zhuǎn)移到真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)。驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空。當真空度10Pa時關(guān)閉真空泵，對熔煉室內(nèi)充入氬氣使爐內(nèi)壓力至0.06MPa。關(guān)閉充氬氣閥門，保持2min后打開真空泵，繼續(xù)抽真空至10Pa關(guān)閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內(nèi)壓力達到0.06MPa，關(guān)閉充氬氣閥門。如此再循環(huán)兩次后維持氬氣壓力0.06MPa。步驟6，真空感應(yīng)熔煉：在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣壓力0.06MPa的條件下，調(diào)整該真空感應(yīng)熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1500℃，保溫30min。步驟7，澆鑄：澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成后，砂箱在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣保護狀態(tài)下保持12h，之后打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之后利用吹砂機吹砂，清除污漬，最終得到18.75kg的大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。實施例三本實施例是一種制備大體積Al0.5CoCrFeNi高熵合金的方法，具體實施步驟如下：步驟1，表面處理：對FeCoCr和Ni2Al的表面打磨處理。具體是，將純度為99.9wt.％的塊狀FeCoCr和純度為99.9wt.％的塊狀Ni2Al表面打磨干凈。將打磨后的FeCoCr和Ni2Al置于丙酮溶液中超聲波清洗15min后置于烘干箱中烘干，使所述FeCoCr及Ni2Al表面均呈現(xiàn)金屬光澤。根據(jù)所制備的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的原子摩爾比確定所述FeCoCr與Ni2Al的質(zhì)量比為2.3105:1。稱取FeCoCr與Ni2Al。本實施例中，稱取的FeCoCr為12kg，Ni2Al為5.194kg。步驟2，爐體預(yù)熱：在真空感應(yīng)熔煉爐的坩堝內(nèi)加入任意一種FeCoCr或Ni2Al作為預(yù)熱體，利用該FeCoCr或Ni2Al感應(yīng)加熱后產(chǎn)生的熱量對所述真空感應(yīng)熔煉爐的爐體進行預(yù)熱。對加入有預(yù)熱體的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至15Pa送電預(yù)熱，具體是，通電功率為10kW并保持12min；保持結(jié)束后將通電功率調(diào)整為20kW并保持25min；；保持結(jié)束后繼續(xù)將通電功率調(diào)整為25kW保持1h。步驟3，裝料：爐體預(yù)熱保溫結(jié)束后，取出所述預(yù)熱體，將經(jīng)過步驟1表面處理的中間合金的FeCoCr和Ni2Al放入感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)。步驟4，造型與烘型：選取尺寸為Φ130x160mm3圓柱狀模殼。模殼在造型前使用壓縮空氣進行吹殼，洗殼。按常規(guī)方法采用10～20目的上店砂造型。造型完成后，將砂箱在高溫箱式電爐中進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為425℃，預(yù)熱時間為5h。預(yù)熱結(jié)束后，將砂箱轉(zhuǎn)移到真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)。步驟5，洗爐：對裝入砂箱的真空感應(yīng)熔煉爐抽真空。當真空度8Pa時關(guān)閉真空泵，對熔煉室內(nèi)充入氬氣使爐內(nèi)壓力至0.055MPa。關(guān)閉充氬氣閥門，保持3min后打開真空泵，繼續(xù)抽真空至8Pa關(guān)閉真空泵。熔煉室再次充氬氣，使爐內(nèi)壓力達到0.055MPa，關(guān)閉充氬氣閥門。如此再循環(huán)兩次后維持氬氣壓力0.055MPa。步驟6，真空感應(yīng)熔煉：在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣壓力0.055MPa的條件下，調(diào)整該真空感應(yīng)熔煉爐的功率至最大，對裝有FeCoCr和Ni2Al的坩堝加溫，使坩堝升溫至1530℃，保溫25min。步驟7，澆鑄：澆鑄方式為重力澆鑄，澆鑄速度≥3kg/s。步驟8，保溫出爐：澆鑄完成后，砂箱在真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)氬氣保護狀態(tài)下保持11h，之后打開通氣閥破真空取出砂箱。步驟9，清殼及吹砂：鑄件溫度冷卻到100℃以下利用水力清殼機清砂、脫殼。之后利用吹砂機吹砂，清除污漬，最終得到體積為15.267kg的Al0.5CoCrFeNi高熵合金鑄錠。當前第1頁1 2 3