本發(fā)明屬于高熵合金材料領(lǐng)域，具體地指一種由析出相和梯度結(jié)構(gòu)共同強(qiáng)化的耐磨高熵合金及制備方法。

背景技術(shù)：

1、金屬表面磨損指的是摩擦副的表面物質(zhì)隨著摩擦行為的發(fā)生逐漸損失而導(dǎo)致零件表面形狀、尺寸、位置精度及表面性質(zhì)發(fā)生改變的一種不可避免的能量損耗現(xiàn)象，金屬零件的表面磨損是零件失效的主要原因。磨損是機(jī)械失效的一種普遍形式，約占據(jù)機(jī)械零件失效的80％。摩擦磨損不僅增加了原料和能源的損耗，而且無法保證機(jī)械零件的安全可靠性。

2、高熵合金是由五種及以上元素按照一定摩爾比，保證各種元素原子分?jǐn)?shù)為5at％～35at％的無主元復(fù)雜合金體系。高熵合金一般位于相圖的中心區(qū)域，因此其合金成分空間很大且形成的組織結(jié)構(gòu)具有多種可能。另外，高熵合金具有區(qū)別于一般合金的熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、性能上的雞尾酒效應(yīng)，使得高熵合金產(chǎn)生了一些優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性及磁學(xué)性等。相對(duì)于傳統(tǒng)耐磨鋼，高熵合金高的混合熵及低的高溫?cái)U(kuò)散率，使得其高溫穩(wěn)定性更好，且晶格畸變阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果，雞尾酒效應(yīng)能發(fā)揮不同元素的特殊性，協(xié)同作用更加明顯，以上特性使得高熵合金具有更好的極端工況下的工作性能，在耐磨性方面具有一定優(yōu)勢。

3、公開號(hào)為cn117845118a的專利文件中，公開了一種高強(qiáng)高韌兼具耐磨性的多相高熵合金及其制備方法，通過調(diào)控ti元素含量，使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生由fcc+bcc、ni3ti向bcc+ni3ti的轉(zhuǎn)變，從而提高強(qiáng)度和耐磨性，其平均摩擦系數(shù)介于0.45～0.63之間，有待進(jìn)一步提升。

4、本發(fā)明通過調(diào)控?zé)崽幚砉に嚕垢哽睾辖饍?nèi)部產(chǎn)生σ相析出相，并形成粗晶粒向細(xì)晶粒逐漸過渡的梯度微觀組織結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化所述高熵合金的耐磨性能。該方法可控、可靠，易于推廣，而且可以拓展到其他同類型的高熵合金材料中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種通過調(diào)控?zé)崽幚?，使高熵合金?nèi)部產(chǎn)生σ相析出相，晶粒尺寸跨度大，其中粗晶平均晶粒尺寸≥9.56μm，體積比為38～44％，細(xì)晶平均晶粒尺寸≤3.21μm，體積比為51～56％，其余為析出相，其顯微維氏硬度為254.6～398.4hv，平均摩擦系數(shù)在0.55～0.76，且生產(chǎn)工藝簡便，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的由析出相和梯度結(jié)構(gòu)共同強(qiáng)化的耐磨高熵合金及制備方法。

2、實(shí)現(xiàn)上述目的的措施：

3、一種由析出相和梯度結(jié)構(gòu)共同強(qiáng)化的耐磨高熵合金，其組分及重量百分比含量為：fe：22～25％，co：25～27％，cr：24～26％，ni：21～23％，m：1～3％，其中m元素為nb或v或ti或mo中的一種或幾種的復(fù)合添加；其高熵合金的顯微組織為fcc相和少量的σ相；其高熵合金的結(jié)構(gòu)為由粗晶和細(xì)晶形成的梯度微觀結(jié)構(gòu)，其中粗晶平均晶粒尺寸≥9.56μm，體積比為38～44％，細(xì)晶平均晶粒尺寸≤3.21μm，體積比為51～56％，其余為析出相。

4、制備一種由析出相和梯度結(jié)構(gòu)共同強(qiáng)化的耐磨高熵合金的方法，其步驟：

5、1)進(jìn)行原材料配置

6、將純度均高于99.9％的fe、co、cr、ni、m金屬顆粒按照各自的取值范圍進(jìn)行稱量；

7、2)在真空爐進(jìn)行熔煉

8、將上述配置好的原料放入真空爐中進(jìn)行熔煉，期間：關(guān)閉真空罩，待真空度在2.5×10-3～3.5×10-3pa時(shí)，通入氬氣進(jìn)行攪拌熔煉；并控制整個(gè)過程重復(fù)熔煉4～5次；后澆鑄成錠，鑄錠厚度控制在40～45mm；

9、3)進(jìn)行均勻化退火，控制其退火溫度在1250～1300℃，并在此溫度下保溫1～2h；

10、4)進(jìn)行空冷，空冷至200～250℃；

11、5)進(jìn)行熱軋，控制初始軋制溫度在1050～1100℃，終軋溫度在900～1000℃；

12、6)采用水冷方式進(jìn)行冷卻，在冷卻速度為20～30℃/s下冷卻至100～150℃，后再空冷至室溫；

13、7)冷軋至產(chǎn)品厚度，控制軋制道次在5～6次，累計(jì)變形量在85～90％；

14、8)進(jìn)行退火，控制其退火溫度在600～800℃，并在此溫度下保溫1～1800s，后再次進(jìn)行水冷；

15、9)在真空固溶熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，控制固溶溫度在1000～1200℃，并在此溫度下保溫1～1800s；

16、10)水冷至室溫備用。

17、優(yōu)選地：均勻化退火溫度在1255～1285℃。

18、優(yōu)選地：熱軋初始軋制溫度在1075～1090℃，終軋溫度在915～985℃。

19、優(yōu)選地：在水冷卻速度為24～30℃/s下冷卻至110～145℃。

20、優(yōu)選地：退火溫度在615～780℃。

21、優(yōu)選地：真空固溶處理溫度在1020～1180℃。

22、本發(fā)明中各組分及主要工藝的作用及機(jī)理

23、fe：適量的fe元素可以使fcc相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，同時(shí)提升合金的強(qiáng)度和硬度，但fe元素含量過多會(huì)導(dǎo)致合金表面氧化物顆粒明顯增多，過多的氧化物顆粒導(dǎo)致磨粒磨損現(xiàn)象加劇，耐磨性能明顯降低，因此本發(fā)明中的fe含量限定在22～25％。

24、co：co元素的增加通?？梢蕴岣吆辖鸬挠捕?，降低磨損率，從而有利于合金耐磨性能的提升，但過量的co可能會(huì)導(dǎo)致合金中出現(xiàn)脆性相或元素偏析現(xiàn)象，從而降低延展性，因此將co含量范圍控制在25～27％。

25、cr：cr元素是高熵合金中常見的元素之一，可以促進(jìn)合金晶粒的細(xì)化，其含量的增加通常能夠提升合金的硬度和耐磨性，但cr含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致組織粗化或產(chǎn)生不利相變，從而降低耐磨性能，因此將cr含量控制在24～26％。

26、ni：ni元素可能促進(jìn)fcc相的形成，而fcc相通常具有較好的塑性和韌性，但耐磨性不如bcc相或其他硬質(zhì)相；增加ni含量可以提高合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但會(huì)使合金的硬度降低，因此將本發(fā)明中的ni含量控制在21～23％。

27、nb或v或ti或mo中的一種或幾種的復(fù)合添加：nb、v、ti、mo元素通常作為高熔點(diǎn)金屬元素加入到高熵合金中，此類元素構(gòu)成的難熔高熵合金具有高熔點(diǎn)特性，可以有效抵抗因?yàn)楹辖鹉Σ粮卑l(fā)熱而導(dǎo)致的高溫磨損。通過調(diào)控元素種類及含量可以加強(qiáng)固溶強(qiáng)化以及促進(jìn)第二相析出起到強(qiáng)化效果，從而改善合金強(qiáng)韌性和耐磨性，因此本發(fā)明中將其含量控制在不超過3％。

28、本發(fā)明之所以在真空冶煉期間，關(guān)閉真空罩，并待真空度在2.5×10-3～3.5×10-3pa時(shí)，通入氬氣進(jìn)行攪拌熔煉，是為了防止防止金屬在高溫下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而避免金屬被氧化或產(chǎn)生其他不需要的化合物。

29、本發(fā)明之所以控制，控制均勻化退火溫度在1250～1300℃，并在此溫度下保溫1～2h，是為了促進(jìn)合金元素的擴(kuò)散，使合金內(nèi)部的化學(xué)成分更加均勻，消除元素偏析，同時(shí)避免過高的溫度或過長的時(shí)間導(dǎo)致合金晶界的熔化和主要元素的燒損，從而降低合金的性能。

30、本發(fā)明之所以控制初始軋制溫度在1050～1100℃，終軋溫度在900～1000℃，是為了細(xì)化晶粒，改善其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

31、本發(fā)明之所以在冷卻速度為20～30℃/s下冷卻至100～150℃，然后再空冷至室溫，是為了細(xì)化晶粒，同時(shí)消除合金在軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

32、本發(fā)明之所以控制冷軋累計(jì)變形量在85～90％，是為了進(jìn)一步細(xì)化晶粒，同時(shí)引入大量的位錯(cuò)和晶界。

33、本發(fā)明之所以控制退火溫度在600～1000℃，并在此溫度下保溫1～1800s，是為了促使合金中的變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶，促進(jìn)第二相析出。

34、本發(fā)明之所以控制固溶溫度在1000～1200℃，并在此溫度下保溫1～1800s，是為了獲得適宜的晶粒度，提高合金的強(qiáng)度和硬度。

35、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過調(diào)控?zé)崽幚砉に嚕垢哽睾辖饍?nèi)部產(chǎn)生σ相析出相，晶粒尺寸跨度大，其中粗晶平均晶粒尺寸≥9.56μm，體積比為38～44％，細(xì)晶平均晶粒尺寸≤3.21μm，體積比為51～56％，其余為析出相，其顯微維氏硬度為254.6～398.4hv，平均摩擦系數(shù)在0.55～0.76，且生產(chǎn)工藝簡便，且生產(chǎn)工藝簡便，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。