一种AlN增强轻质耐热高熵合金及其制备方法

一种aln增强轻质耐热高熵合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于轻质高熵合金材料领域，特别是涉及一种aln增强轻质耐热高熵合金及其制备方法。


背景技术：

2.面对日益严峻的能源和环境问题，轻质结构材料的研究尤为重要。迄今为止，轻质材料已得到广泛发展与应用，例如镁合金、铝合金和钛合金等轻质合金材料已经部分取代钢铁材料，广泛应用于汽车和航空航天等领域。但现有轻质合金材料高的制造成本以及有限的性能限制了其在实际工程中更广泛的应用。
3.相比传统轻质合金，轻质高熵合金具有高硬度和强度、良好的耐高温和耐腐蚀性能等优异特性。其中，alcocrfeni
2.1
高熵合金是一种典型的轻质共晶高熵合金，由fcc软相和bcc硬质相组成，在室温下展现出优异的强韧性，抗拉强度可达1gpa。然而，高温下fcc相易出现再结晶而发生软化，导致材料强度降低，材料700℃抗拉强度为538mpa。研究者通过高温退火工艺，在fcc相枝晶中形成弥散分布的沉淀相，抑制fcc相再结晶和钉扎位错，以提高合金的高温强度。但在更高温度条件下，沉淀相会发生粗化、转变、溶解等行为，其强化作用降低，致使合金高温强度无显著提升。例如，文献1“deformation mechanism during high-temperature tensile test in an eutectic high-entropy alloy alcocrfeni
2.1”报道了alcocrfeni
2.1
高熵合金中fcc相析出了b2
ii
相，但该材料高温下仍发生显著的再结晶软化，致使其900℃抗拉强度仅为200mpa。aln陶瓷相具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高热导率等优异特性，但研究者常认为aln陶瓷在高熵合金是夹杂物，会恶化材料的性能。例如，文献2“oxidation behavior of arc melted alcocrfeni multi-component high-entropy alloys”报道了铸态alcocrfeni高熵合金中存在少量(＜1vol.％)aln颗粒，这是由合金原料中的杂质元素引起。因此，现有技术已无法满足高温性能需求，亟需开发新型aln增强轻质耐热高熵合金材料和技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种aln增强轻质耐热高熵合金及其制备方法。该轻质高熵合金高温抗拉强度高、耐热性好，制备工艺简单、成本低，易于推广和普及。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种aln增强轻质耐热高熵合金材料，其合金元素原子表达式为：alacocrfenibnc，其中，0.8≤a≤1.4，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.02。
6.进一步的，该aln增强轻质耐热高熵合金材料的组织特征为：由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。
7.进一步的，所述轻质耐热高熵合金材料具有优异的高温拉伸性能，其900℃抗拉强度高于300mpa，最高达500mpa。
8.一种制备上述aln增强轻质耐热高熵合金材料的方法，包括以下步骤：
9.第一步：选取轻质高熵合金体系，根据平衡凝固相图，al
a1
(cocrfe)
b1
ni
c1
五元合金，其中，以原子比计，在a1＝1，b1＝1，c1＝2.1时，达到共晶点，析出fcc和bcc共晶组织，fcc相高温下易发生软化，为进一步增强fcc相，引入n元素，与al反应生成aln，并弥散分布于fcc相，利用thermal-calc软件计算在近平衡凝固条件下获得共晶或近共晶组织的合金成分为alacocrfenibnc(原子比)，其中，0.8≤a≤1.4，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.02；
10.第二步：将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照第一步的成分配比称取al、co、cr、fe、ni金属原料和fen颗粒；
11.第三步：按照合金成分配比依次将al、cu、ni、fe、fen、cr原料放入水冷铜坩埚，盖上炉盖抽真空至1
×
10-2
pa以下，向炉内充入0.04～0.06mpa的氩气，采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉制备合金锭；
12.第四步：熔炼3～4道次，得到混合均匀的合金锭。
13.进一步的，第一步中，n元素通过fen颗粒形式加入。
14.进一步的，第一步中，利用第一性原理计算合金中各元素与fen的反应吉布斯自由能，确定生成弥散纳米aln颗粒的温度为700～2000℃。
15.进一步的，第一步中，利用第一性原理计算凝固时元素分布，通过界面元素富集获得低界面能的fcc与aln相界面。
16.进一步的，第二步中，金属原料纯度(重量百分比)不小于99.9％。
17.进一步的，第二步中，fen颗粒尺寸不大于5μm，纯度＞99.9％。
18.进一步的，第三步中，氩气的纯度(摩尔百分比)不小于99.99％。
19.进一步的，第四步中，熔炼功率为20～30kw。
20.本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，材料兼具强塑性；(2)初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相，实现增强fcc相；(3)轻质高熵合金高温强度显著提升；(4)制备工艺简便、高效。
附图说明
21.图1是本发明aln增强轻质耐热高熵合金材料的制备流程图。
22.图2是aln增强轻质耐热高熵合金材料的显微组织示意图。
具体实施方式
23.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
24.以下各实施例的制备步骤如图1的流程示意图所示。
25.本发明的构思和原理是：根据平衡凝固相图，al
a1
(cocrfe)
b1
ni
c1
五元合金，其中，以原子百分比计，在a1＝1，b1＝1，c1＝2.1时，达到共晶点，析出fcc和bcc共晶组织，但fcc相高温下易发生软化，材料700℃抗拉强度仅为538mpa。为进一步增强fcc相，引入n元素，与al反应生成aln，并弥散分布于fcc相，抑制再结晶和钉扎位错，实现强化fcc相。利用第一性原理计算合金中各元素与fen的反应吉布斯自由能，确定生成弥散分布地亚微米级和微米级aln相的温度为700～2000℃。利用第一性原理计算合金凝固时的元素分布，通过界面元素富集获得低界面能的fcc与aln相界面。利用thermal-calc软件计算在近平衡凝固条件下获
得共晶或近共晶组织的合金成分为alacocrfenibnc(原子比)，其中，0.8≤a≤1.4，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.02。
26.实施例1
27.(1)设计合金成分
28.选取耐热铝合金体系，根据平衡凝固相图，al
a1
(cocrfe)
b1
ni
c1
五元合金，其中，以原子百分比计，在a1＝1，b1＝1，c1＝2.1时，达到共晶点，析出fcc和bcc共晶组织，fcc相高温下易发生软化。为进一步增强fcc相，引入n元素，与al反应生成aln，并弥散分布于fcc相。利用第一性原理计算合金中各元素与fen的反应吉布斯自由能，确定生成弥散分布地亚微米级和微米级aln相的温度为700～2000℃。利用第一性原理计算元素分布，通过界面元素富集获得低界面能的fcc与aln相界面。利用thermal-calc软件计算在近平衡凝固条件下获得近共晶组织的合金成分为alcocrfeni
2.1n0.01
(原子比)。
29.(2)原料的选用
30.本发明制备合金锭选用的各金属组元的纯度如表1，合金成分为alcocrfeni
2.1n0.01
；
31.表1制备合金锭选用组元的纯度(wt.％)
[0032][0033]
(3)合金锭制备
[0034]
采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉制备合金锭，其具体程序如下：
[0035]
a、按照设计好的成分配比备料；按照每锭200g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚中，加料次序依次为al、cu、ni、fe、fen、cr，盖上炉盖抽真空至1
×
10-3
pa；向炉内充入一定量压力的氩气(99.999％)，氩气压力范围为0.04mpa；
[0036]
b、熔炼3道次，得到混合均匀的合金锭，熔炼功率为30kw。
[0037]
(4)组织与性能测试
[0038]
所制备材料的微观组织示意图如图2所示：由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到450mpa，比文献1中合金提高了1倍。
[0039]
实施例2
[0040]
本实施例制备的合金成分为alcocrfeni
2.1n0.02
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到493mpa，比文献1中合金提高了1倍。
[0041]
实施例3
[0042]
本实施例制备的合金成分为alcocrfeni
2.1n0.001
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到365mpa。
[0043]
实施例4
[0044]
本实施例制备的合金成分为al
1.4
cocrfeni
2.4n0.01
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到473mpa。
[0045]
实施例5
[0046]
本实施例制备的合金成分为al
1.4
cocrfeni
2.4n0.02
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到502mpa。
[0047]
实施例6
[0048]
本实施例制备的合金成分为al
1.4
cocrfeni
2.4n0.001
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到420mpa。
[0049]
实施例7
[0050]
本实施例制备的合金成分为al
0.8
cocrfeni
1.8n0.01
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到326mpa。
[0051]
实施例8
[0052]
本实施例制备的合金成分为al
0.8
cocrfeni
1.8n0.02
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到355mpa。
[0053]
实施例9
[0054]
本实施例制备的合金成分为al
0.8
cocrfeni
1.8n0.001
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到301mpa。
[0055]
实施例10
[0056]
本实施例制备的合金成分为al
1.1
cocrfeni
2.2n0.02
(原子比)，其它步骤同实施例1。合金显微组织由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。力学性能测试结果表明：所制备的材料900℃抗拉强度达到508mpa。
[0057]
对比例1
[0058]
文献1“deformation mechanism during high-temperature tensile test in an eutectic high-entropy alloy alcocrfeni
2.1”报道了alcocrfeni
2.1
高熵合金中l1
2-ni3al(fcc)相析出了b2
ii
相、b2-nial(bcc)相析出了l1
2,ii
相，但该材料高温下仍发生显著的再结晶软化，其900℃抗拉强度仅为200mpa。
[0059]
将实施例与对比例中合金成分与性能对比，如表2所示。
[0060][0061]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

技术特征：
1.一种aln增强轻质耐热高熵合金材料，其特征在于，其合金元素原子表达式为：al
a
cocrfeni
b
n
c
，其中，0.8≤a≤1.4，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.02。2.如权利要求1所述的高熵合金材料，其特征在于，该高熵合金材料的组织特征为：由初生fcc相枝晶和共晶片层组织组成，共晶片层组织由fcc相与bcc相组成，初生fcc相和共晶片层中的fcc相内弥散分布亚微米级和微米级aln相。3.如权利要求1所述的高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料具有优异的高温拉伸性能，其900℃抗拉强度高于300 mpa。4.一种制备如权利要求1-3任一所述的高熵合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：选取轻质高熵合金体系，根据平衡凝固相图，al
a1
(cocrfe)
b1
ni
c1
五元合金，其中，以原子比计，在a1=1，b
1 =1，c1=2.1时，达到共晶点，析出fcc和bcc共晶组织，fcc相高温下易发生软化，为增强fcc相，引入n元素，与al反应生成aln，并弥散分布于fcc相，利用thermal-calc软件计算在近平衡凝固条件下获得共晶或近共晶组织的合金成分为al
a
cocrfeni
b
n
c
，其中，0.8≤a≤1.4，1.8≤b≤2.4，0.001≤c≤0.02；第二步：将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照第一步的成分配比称取al、co、cr、fe、ni金属原料和fen颗粒；第三步：依次将al、cu、ni、fe、fen、cr原料放入水冷铜坩埚，抽真空，向炉内充入氩气，采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉制备合金锭；第四步：熔炼3～4道次，得到混合均匀的合金锭。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一步中，利用第一性原理计算合金中各元素与fen的反应吉布斯自由能，确定生成弥散纳米aln颗粒的温度为700～2000℃。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一步中，利用第一性原理计算凝固时元素分布，通过界面元素富集获得低界面能的fcc与aln相界面。7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第二步中，金属原料纯度不小于99.9％。8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第二步中，fen颗粒尺寸不大于5μm，纯度＞99.9%。9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第三步中，抽真空至1
×
10-2
pa以下，向炉内充入0.04～0.06mpa的氩气。10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第四步中，熔炼功率为20～30kw。

技术总结
本发明公开了一种AlN增强轻质耐热高熵合金及其制备方法，该合金元素原子比表达式为：Al


技术研发人员：苏翔 刘宇航 王崇安 沈洪雷
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/21