CN116287930A

CN116287930A - 一种高强度AlCoNiTi多主元合金及其制备方法

Info

Publication number: CN116287930A
Application number: CN202310286331.5A
Authority: CN
Inventors: 唐颂; 陈国平; 芮腾; 寇宗德; 冯涛; 兰司
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明属于合金材料领域，所述的多主元合金由Al、Ti、Co、Ni元素构成，组成多主元合金的元素原子百分比如下：Al 10～15％、Ti 10～15％、Co 35～40％、Ni 35～40％。本发明根据二元相图确定了Al、Co、Ni的大致成分占比，再用Ti去替代部分的Al，通过增加Ti含量来优化多主元合金的组织结构进而提高合金的强度。本发明的多主元合金相结构为FCC基体+TCP相，TCP相均匀分布在FCC基体上，有效地提高了合金的强度，硬度达到约430HV，经过高温均质化处理后，极限压缩强度达到约4.2GPa，压缩塑性达约100％，体现出更加优秀的压缩塑性。本发明的多主元合金具有优良的抗压缩能力，有望作为高性能结构材料和耐磨涂层材料进行工程应用。

Description

一种高强度AlCoNiTi多主元合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及多主元合金技术领域。

背景技术

传统合金通常以单个元素作为主要元素，通过添加其他合金元素提升所需的性能，这种合金设计理念已经得到了普遍的应用，也探索出宽广的空间，而多主元合金的出现为合金的设计提供了更加广阔的视野，受到了研究者的广泛关注。多主元合金往往由三种以上元素按照等原子比或近等原子比组成，处于合金相图的中央，更容易形成固溶体结构，避免了多种金属间化合物的形成。多主元合金由于其高的混乱度带来的晶格畸变效应，可以有效地提高合金的强度。

以Al、Co、Ni等元素组成的多主元合金通常具有FCC(面心立方)固溶体结构，单一FCC相的合金通常延展性良好而强度较低，在FCC基体中形成增强相可以有效提升合金强度，形成双相结构，例如FCC+BCC(体心立方)、FCC+HCP(密排六方)等。双相结构得益于背应力强化效应，背应力强化效应通常由强度差异较大的两结构单元(软和硬)构成，在材料的变形过程中，这些软-硬结构之间会产生应变不协调，在软-硬结构分界处会产生背应力。简单来说，软的结构单元提供变形，硬的结构单元提供强度，使得材料能够实现强度与塑性的匹配。

金属间化合物具有原子键合力强，高的强度、良好抗高温性能等特点，然而通常硬脆的特点限制了其实际应用，将金属间化合物作为增强相有望提升FCC基合金的强度。

为保证元素间能够形成FCC固溶体，查询Co-Al、Ni-Al二元相图确认各元素间固溶程度，初步设定Al、Co、Ni的比例大约为1∶1.5∶1.5。该体系中可形成的金属间化合物结构包括：L1₂、B2、L1₀。这些金属间化合物通常作为材料强化相应用于工业中，L1₂结构的(Co，Ni)₃Al是一种常见的金属间化合物，在工业中主要应用于要求高温强度和热疲劳强度的器件；B2结构的(Co，Ni)Al具有良好的高温抗氧化能力；L1₀则是由B2结构发生马氏体相变获得的。

Ti在多主元合金中的有限加入通常能够提升合金的力学性能，通过利用Ti替换一部分Al，造成更大的晶格畸变，有效提升强度。需要注意的是，双相结构合金中增强相的形状、尺寸、分布情况也对力学性能有重要影响，增强相通常需要均匀分布，尺寸足够细小，以防止应力集中导致过早失效。因此，如何通过控制组织形态获得具有实际应用潜力的多主元合金已成为亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于通过成分调控设计一种高强度的多主元合金。

一种高强度AlCoNiTi多主元合金，元素原子百分比如下：Al 10～15％、Co 35～40％、Ni 35～40％、Ti 10～15％。

进一步的，所述多主元合金的组成按元素原子百分比如下：Al 13％、Co 37％、Ni37％、Ti 13％。

上述的高强度AlCoNiTi多主元合金制备方法，包括如下步骤：

(1)去除金属单质Al、Co、Ni、Ti块状样表面的氧化层和杂质，按照原子百分比换算成的质量百分比称取对应的原材料，然后进行超声清洗并晾干；

(2)另外准备一块纯Ti锭，将纯Ti锭和根据步骤(1)所述的原材料分别置于非自耗真空电弧熔炼炉的熔池中；

在逐步抽至高真空后通入高纯氩气，在高纯氩气的保护氛围下，采用电弧熔先将纯Ti锭熔炼，再进行所述合金原材料的熔炼，每次熔炼完成后翻转再进行下一次熔炼，重复6次获得初始合金锭；

(3)将根据步骤(2)获得的初始合金锭去除氧化层，然后用电火花切割切成多块样品，将块状样品放进马弗炉中进行热处理，水淬后获得高强度AlCoNiTi多主元合金。

进一步的，所述金属单质的纯度均为99.95％，采用砂轮机或者砂纸去除表面的氧化层和杂质。

进一步的，超声清洗时频率为30Hz保持5min，清洗溶液为95％乙醇。

进一步的，熔炼前抽真空的气压低于1.5×10^-3Pa，高纯氩气的充入量为0.4atm，熔炼电流为150～200A，每次熔炼时间保持1min。

进一步的，石英管的真空度保证在5Pa以下，马弗炉炉内温度1000℃，保温1h，采用自来水冷却。

附图说明

图1是实施例和对比例的XRD结果。

图2是实施例铸态的扫描电镜结果。

图3是实施例的压缩强度测试结果和实施例和对比例的硬度测试结果。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例和对比例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定覆盖的多种不同方式实施。

实施例

一种AlCoNiTi多主元合金，组成成分按元素原子百分比如下：Al 13％、Co 37％、Ni 37％、Ti 13％，由上述实验步骤(1)～(3)获得，可简称Al₁₃Ti₁₃。

对比例

一种AlCoNi多主元合金，组成成分按元素原子百分比如下：Al 26％、Co 37％、Ni37％，由上述实验步骤(1)～(2)获得，作为不添加Ti的对比样品，可简称Al₂₆。

性能分析

1.物相分析

图1为实施例和对比例的XRD结果。对比例的结构为FCC基体+B2(BCC结构)+L1₀，FCC基体主要由(Ni)和(Co，Ni)₃Al构成，B2相的形成是由于凝固时局部Ni、Co元素含量不足形成(Co，Ni)Al，而L1₀的形成是因为冷却过快由部分B2相发生马氏体相变获得。

实施例的结构为FCC基体+富Ti相(TCP相)，通过用一部分Ti替换Al减少了中间相的数目，显著提升了FCC结构的占比，TCP相是密排堆垛型金属间化合物在Co基、Ni基高温合金中常见的析出物。由于Ti只能在Al-Co-Ni体系中有限固溶，当Ti含量超过一定值时则偏聚，使得凝固时液相偏离原始成分，导致了相结构的变化。通过对比铸态和高温均质化处理的XRD结果，看出均质化处理不影响相的结构。

2.微观组织分析

图2是实施例的铸态样品扫描电镜结果，根据彩色元素谱图可以分辨出暗色区域是富含Ti的结构，均匀地分布在基体中，尺寸较细小，约为10～20μm，其他区域的成分接近于原始配比，结合图1中XRD结果可以判断出，实施例的铸态主要由FCC基体+TCP相构成，经热处理后峰往左偏移，说明晶格有变大的趋势，可能是由于热处理促进了Ti的固溶造成的。

3.力学性能分析

图3是实施例的压缩测试曲线结果，采用的圆柱形试样尺寸为直径2mm、高3mm，符合国标GB/T 7314-2017测试抗压强度R_mc的要求L＝(1～2)d。可以看出实施例铸态就具有良好的抗压缩性能，屈服强度大约550MPa，和对比例的屈服强度相近，但对比例铸态塑性变形能力优良，压缩塑性达60％，得益于FCC结构占比的提升。在1000℃保温1h后水淬，屈服强度下降到约300MPa，塑性显著提升，达到110％，说明实施例有良好的抗压缩能力。图3的左上角插图是对比例与实施例的硬度测试结果，Ti的加入使强度达到约410HV，说明Ti的加入能有效提升合金的硬度，而实施例热处理后硬度下降至约370HV的趋势也对应实施例的压缩屈服强度下降；右下角插图是实施例的压缩前后对比照片。

Claims

1.一种高强度AlCoNiTi多主元合金，其特征在于，该合金的各元素的原子百分比如下：Al 10～15％、Co 35～40％、Ni 35～40％、Ti 10～15％，Co和Ni是等原子比。

2.根据权利要求1所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金，其特征在于，所述合金各元素的百分比如下：Al 13％、Co 37％、Ni 37％、Ti 13％。

3.根据权利要求2所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)另外准备一块纯Ti锭，将纯Ti锭和根据步骤(1)所述的原材料分别置于非自耗真空电弧熔炼炉中铜模底座的不同熔池，在高纯氩气的保护氛围下，采用电弧熔炼先熔炼纯Ti锭以降低氧含量，再熔炼原材料获得纽扣状初始合金锭；

(3)将根据步骤(2)获得的初始合金锭去除氧化层后切成多块样品，将多块样品放进马弗炉中进行热处理，水淬后获得成分均匀的AlCoNiTi多主元合金。

4.根据权利要求3所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属单质的纯度均为99.95％的方形颗粒。

5.根据权利要求3所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)采用砂纸和砂轮机去除表面的氧化层和杂质；超声清洗时频率为30Hz保持5min，清洗溶液为95％乙醇。

6.根据权利要求3所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中先将炉内气压抽至低于1.5×10^-3Pa，然后充入高纯氩气，充入量0.4atm，然后进行电弧熔炼，熔炼电流为150～200A，先熔炼纯Ti锭以减少熔炼时的氧化部分，然后对原材料进行重复熔炼6次，每次熔炼完成后需要翻转合金锭再进行下一次熔炼，保证熔炼的均匀性。

7.根据权利要求3所述的一种高强度AlCoNiTi多主元合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中采用电火花切割切成块状样品，将块状样品密封在真空石英管中降低氧化程度，管内气压为5Pa以下，热处理制度为1000℃保温1h，然后将石英管进行水淬。