两种低成本高强塑性的铁基中熵合金

1.本发明一般涉及合金技术领域，具体涉及两种低成本高强塑性的铁基中熵合金。


背景技术：

2.开发在室温和液氮温度下具备优异强塑性的新型合金，对于低温工程应用具有重大意义，如储氮罐、液化天然气管道及航空航天等领域。面心立方(fcc)的中/高熵合金因其独特的低温力学行为而备受关注。但其通常表现出强度的不足，故限制了它们的适用性。
3.近年来，具有高廉价fe含量的合金，又称铁基中熵合金，由于其具有优异的抗拉强度和均匀延展性，逐渐引起了人们的关注。由于较高的fe含量能有效降低fcc相稳定性，从而在铁基中熵合金引入了形变诱发马氏体相变的效应。然而，早先报道的铁基中熵合金屈服强度较低，例如，fe
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mn
25
ni
10
cr
15
中熵合金虽然在液氮温度(77k)下具有超过1gpa的抗拉强度和～80％的均匀延伸率，但屈服强度却不足500mpa；fe
50
co
30
cr
10v10
合金在77k下的极限抗拉强度能达到2gpa，但其屈服强度仅有600mpa。因此，为了克服铁基中熵合金低屈服的短板，研究者们想到了许多强化合金的策略，例如采用时效处理析出第二相，通过设计梯度结构或非均质结构的方法等。然而，相比于其它合金，目前铁基中熵合金的强度仍需进一步改进。此外，大量昂贵的金属元素(如co、mo和v)也是限制其工业化应用的一个重要原因。简而言之，尽管铁基中熵合金取得了显著的进展，但其强塑性的矛盾以及较高的原材料成本仍然是目前极具挑战性的问题。因此，采用便宜的合金元素进行设计、并引入多种强韧化机制才能有望解决上述难题。


技术实现要素：

4.鉴于上述的问题，本技术通过低价格的合金成分的精细调控，引入多种强化机制(包括细晶强化、沉淀强化、双相结构强化、相变强化、孪晶强化、异构强化)，提供了两种铁基中熵合金，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题。
5.两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，以原子数百分含量计，包括：fe：50％～65％、ni：10％～20％、cr：12％～18％、si：3％～9％、al：2％～8％。
6.进一步地，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：15％、cr：13％、si：7％、al：3％。
7.进一步地，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：15％、cr：13％、si：3％、al：7％。
8.进一步地，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5％。
9.进一步地，所述微量元素包括c、b、cu、mo、ti、nb、v等的任意一种或多种。
10.本发明提供了两种低成本、高性能的铁基中熵合金，一种是以fcc相为主的非均质fe
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ni
15
cr
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si7al3合金；另一种是fcc+bcc的双相非均质fe
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si3al7合金。将本发明与众多中/高熵合金以及一些传统钢铁材料作了比较，结果表明其不但在低温下有着较为
优异的强塑性，而且还有着媲美传统不锈钢的原材料成本。
附图说明
10.图1(a1)、(a2)和(a3)fe
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si7al3合金退火态的ebsd相图、晶粒取向分布图和反极图；(b1)、(b2)和(b3)fe
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si3al7合金退火态的ebsd相图、晶粒取向分布图和反极图。
11.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
12.图2(a)fe
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si7al3和fe
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si3al7合金的工程应力-应变曲线；(b)对应的加工硬化曲线；(c)298k和77k下的强度对比图；(d)al3和al7合金的显微硬度。
13.图3fe
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si7al3和fe
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si3al7合金与其它合金在77k下的原材料成本与(a)屈服强度和(b)强塑积的对比图(c)al3和al7合金与其它合金在77k下的屈服强度和强塑积的对比图。
14.图4fe
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si7al3合金退火态的tem图：(a)和(b)明场图，插图显示了析出相的saed图；(c)haadf-eds图。
15.图5(a)和(b)表示不同应变阶段下fe
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si7al3和fe
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si3al7合金的xrd图；(c)和(d)表示用xrd计算的al3和al7合金在77k下随着应变的增加，fcc和bcc相体积分数的变化。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
18.实施例一本发明提供两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，以原子数百分含量计，包括：fe：50％～65％、ni：10％～20％、cr：12％～18％、si：3％～9％、al：2％～8％。
19.具体的，在一些实施例中，fe的具体含量可以为50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％等。
20.在一些实施例中，ni的具体含量可以为：10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％。
21.在一些实施例中，cr的具体的含量可以为：12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％。
22.在一些实施例中，si的具体的含量可以为：3％、5％、6％、7％、8％、9％。
23.在一些实施例中，al的具体的含量可以为：2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％。
24.进一步地，作为一种优选的实施方式，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：15％、cr：13％、si：7％、al：3％。
25.进一步地，作为一种优选的实施方式，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：
15％、cr：13％、si：3％、al：7％。
26.具体的，参考图1，其为通过实验获取的fe
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cr
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si7al3和fe
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cr
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si3al7合金的拉伸应力应变曲线图、强度统计图和显微硬度图，实验的具体步骤为：合金锭的名义组成为fe
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ni
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cr
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si7al3和fe
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ni
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cr
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si3al7的合金铸锭，将其标记为al3和al7合金，它们的组态熵均为1.14r(其中r为气体常数)。
27.以纯度大于99.9wt％的元素为原料，在ar气氛中用电弧熔炼法制备了名义成分为fe
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ni
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cr
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si7al3和fe
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ni
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cr
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si3al7的合金铸锭。所有铸锭在电磁搅拌下至少重熔5次，以确保均匀，最终滴铸到10
×
10
×
30mm3的铜模中。钢锭从10mm冷轧到～1.5mm。轧制后的板材在1073k进行5min的退火热处理，然后进行水冷。从薄板上切割出10mm
×
2.5mm
×
1.5mm的狗骨形状的扁平试件。拉伸试验分别在77k和298k下用螺杆驱动的suns utm 5105试验机以0.5mm/min的十字头速度进行。拉伸方向与轧制方向平行。硬度选择维氏硬度仪进行测量。用cu-kα的x射线衍射仪(xrd)、配有能谱仪的扫描电子显微镜(sem)、电子背散射衍射仪(ebsd)和透射电子显微镜(tem)对样品进行了分析。采用ebsd对fe
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ni
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cr
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si7al3(al3)和fe
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15
cr
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si3al7(al7)合金的原始组织进行了表征(如图1)。结果表明，al3合金为以fcc相为主的非均质结构(图1a1)。其中存在些许孪晶界，这说明通过退火热处理后的al3合金形成了一部分退火孪晶。al7合金的bcc相增多，形成了fcc+bcc的双相非均质结构(图1b1)。图1a3为al3合金的ebsd反极图(沿法向轴)，其最大密度值说明该合金的晶粒取向分布很可能更偏于各向同性。然而，在al7合金中，bcc相结构的晶粒分布逐渐向《111》织构集中(图1b3)，这种晶粒的择优取向可能是al3和al7合金的强塑性有着较大差异的原因之一。
28.在室温(298k)和液氮温度(77k)下，fe
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si7al3和fe
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15
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si3al7合金的拉伸应力-应变曲线和显微硬度分别如图2所示。合金体系具有较高的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率。fe
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ni
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si7al3中熵合金的低温屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为～1450mpa、～1809mpa和～44％。fe
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si3al7中熵合金的低温屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为～1600mpa、～1790mpa和～31％。
29.本发明以低成本、高性能为目标，制备了具有极低原材料成本的高强塑性的fe
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si7al3和fe
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si3al7合金。这两种合金在298k和77k下均有着优异的强度和均匀延伸率。此外，由于其具备媲美传统钢铁的原材料价格，所以有极大的应用潜力。
30.实施例二进一步地，作为另一种实施方式，本发明提供的两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，以原子数百分含量计，该合金包括：fe：50％～65％、ni：10％～20％、cr：12％～18％、si：3％～9％、al：2％～8％，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5％，作为具体的实施方式，所述微量元素包括c、b、cu、mo、ti、nb、v中的任意一种在一些实施例中，微量元素的具体含量可以为5％、4.5％、4％、3.5％、3％、2.5％、2％、1.5％、1％、0.5％等，具体的，在一些实施例中，fe的具体含量可以为50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％等。
31.在一些实施例中，ni的具体含量可以为：10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％。
32.在一些实施例中，cr的具体的含量可以为：12％、13％、14％、15％、16％、17％、
18％。
33.在一些实施例中，si的具体的含量可以为：3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％。
34.在一些实施例中，al的具体的含量可以为：2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％。
35.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括：fe：50％～65％、ni：10％～20％、cr：12％～18％、si：3％～9％、al：2％～8％。其另一特征在于包含多种强化机制(包括细晶强化、沉淀强化、双相结构强化、相变强化、孪晶强化、异构强化)。2.根据权利要求1所述的两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：15％、cr：13％、si：7％、al：3％。3.根据权利要求1所述的两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括：fe：62％、ni：15％、cr：13％、si：3％、al：7％。4.根据权利要求1所述的两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，其特征在于，在该合金成分基础上还添加有微量元素，以原子数百分含量计，所述微量元素少于5％。5.根据权利要求2所述的两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，其特征在于，所述微量元素包括c、b、cu、mo、ti、nb、v的任意一种或多种。

技术总结
本发明公开了两种低成本高强塑性的铁基中熵合金，以原子数百分含量计，包括：Fe：50％～65％、Ni：10％～20％、Cr：12％～18％、Si：3％～9％、Al：2％～8％，一种是以FCC相为主的非均质Fe


技术研发人员：魏然 高秋宇 冯石林 陈辰 王坦 吴少杰 蔡永福 李福山
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/14