一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能蠕墨高熵合金及其制備方法。

二、

背景技術(shù)：
：

蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，具有導(dǎo)熱性、耐磨性和耐熱疲勞性，被廣泛用于液壓件、排氣管、制動盤以及發(fā)動機(jī)等。但是蠕墨鑄鐵需要添加蠕化劑進(jìn)行蠕化處理，且易形成白口鑄鐵，需要回爐重?zé)?。蠕墨鑄鐵含碳量高，蠕蟲狀石墨易析出，合金材料塑性降低，脆性提高。蠕墨鑄鐵具有相對較差的壓縮強(qiáng)度和壓縮率。另外,隨著大型機(jī)器、重型載重汽車的發(fā)展，大功率油氣發(fā)動機(jī)以及高速裝備制動盤對材料性能的要求更加苛刻，需要材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高塑性以及優(yōu)異的耐磨耐熱疲勞性能等。為此，許多科研工作者為提高蠕墨鑄鐵的綜合性能做了大量的工作。如，專利cn105525194a，cn102409220a，cn102808126a，cn104357736a等，它們均是采用添加蠕化劑來提高蠕化率，添加微量元素來提高綜合力學(xué)性能，工藝復(fù)雜，蠕化率難以提高和控制，綜合力學(xué)性能不佳。專利cn201610289488.3討論了一種雙稀土摻雜改性鑄鐵的耐磨性、維氏硬度，但沒討論塑性。

高熵合金是葉均蔚等在2004年提出的新概念。同時，國外學(xué)者cantorb等人稱之為多組分合金。高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性等。如西北工業(yè)大學(xué)何峰等人在專利cn104674103a中發(fā)明了crfeconinbx高熵合金，合金塑性和強(qiáng)度的結(jié)合有所改善，crfeconinbx高熵合金壓縮強(qiáng)度為2024.6mpa，對應(yīng)的相對壓縮率為38.8％；壓縮強(qiáng)度為2504.mpa，對應(yīng)的相對壓縮率為13.5％。但crfeconinbx高熵合金抗壓強(qiáng)度和塑性依然沒有實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合，耐磨性未討論。

因此,傳統(tǒng)的蠕墨鑄鐵材料很難滿足大功率發(fā)動機(jī)以及高速裝備制動盤等發(fā)展的要求,開發(fā)具備高強(qiáng)度、高塑性以及優(yōu)異耐磨性的新材料具有重要的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決目前蠕墨鑄鐵綜合性能的不佳的問題，提供一種高性能蠕墨高熵合金及其制備方法，結(jié)合了蠕墨鑄鐵和高熵合金的優(yōu)異性能，具有高強(qiáng)度、高硬度以及耐磨性優(yōu)異的綜合性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種高性能蠕墨高熵合金，其特征在于：所述的高熵合金成分表達(dá)式為al[niafeb]2mc-cd，其中m為co、cr、cu、ga、hf、mn、mo、ta、ti、v、w、zn、zr以及稀土元素中的一種或幾種，a+b＝2，0＜c≤1，0.1≤d≤0.25。

所述的當(dāng)m為co，a＝b＝c＝1，該高熵合金為alconifecd，0.1≤d≤0.25。

所述的一種高性能蠕墨高熵合金的制備方法步驟為：

1)配料：先用機(jī)械方法除去上述工業(yè)純金屬元素，按配比配料，c元素難以溶入金屬，采用含碳合金；

2)抽真空：熔煉爐腔抽真空至3.0×10^-3pa，通入純度為99.99wt.％的高純氬氣至爐內(nèi)壓強(qiáng)為-0.5mpa；

3)熔煉：采用電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉，熔煉3次純鈦除氧，每次持續(xù)時間2min，合金錠翻轉(zhuǎn)熔煉5次使得成分均勻，并開啟電磁攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每次熔煉時間持續(xù)5min，熔煉完成后，冷卻至室溫取樣，得到蠕墨高熵合金鑄錠；

4)澆注：將熔煉好的蠕墨高熵合金鑄錠置于翻轉(zhuǎn)澆鑄坩堝內(nèi)，重復(fù)第二步抽真空，將蠕墨高熵合金錠熔至液態(tài)，然后澆注，最后冷卻至室溫取樣，得到蠕墨高熵合金圓棒。

所述的工業(yè)純金屬元素純度大于99.9％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

1、本發(fā)明提供的蠕墨高熵合金具有優(yōu)異的綜合性能，出現(xiàn)蠕蟲狀石墨，室溫抗壓強(qiáng)度大于2gpa，壓縮率大于30％，硬度值大于350hb，磨損體積小于0.04mm³(對偶件是gcr15，加載載荷為5n，運(yùn)行時間20min，旋轉(zhuǎn)半徑4mm，運(yùn)轉(zhuǎn)速度1300r/min)；

2、本發(fā)明具有較大的成分調(diào)節(jié)空間和加工工藝調(diào)整，改變石墨形態(tài)和相的體積分?jǐn)?shù)，因而調(diào)節(jié)合金的綜合性能；

3、本發(fā)明提供的蠕墨高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性，綜合了高熵合金和蠕墨鑄鐵各自優(yōu)異的特性，能廣泛應(yīng)用于液壓件、排氣管、制動盤以及更大功率的發(fā)動機(jī)等。

四、附圖說明：

圖1是鑄態(tài)alcofenicx蠕墨高熵合金xrd圖譜；

圖2是鑄態(tài)alcofenic0.245蠕墨高熵合金om和sem分析結(jié)果；a.鑄態(tài)alcofenic0.25蠕墨高熵合金100倍下的om照片；b.放大500倍的sem照片；c.石墨；

圖3是鑄態(tài)alcofenicx蠕墨高熵合金硬度值和磨損體積；(a).鑄態(tài)alcofenicx蠕墨高熵合金的硬度值；(b).鑄態(tài)alcofenicx蠕墨高熵合金的磨損體積；

圖4是鑄態(tài)alcofenicx蠕墨高熵合金壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

五、具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1所示xrd圖譜，合金均由fcc、bcc、b2相以及石墨組成。fcc使合金具有良好的塑性，b2相和bcc晶體結(jié)構(gòu)有利于提高合金的強(qiáng)度和硬度，石墨作為潤滑劑，有利于降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性。圖2為al0.5cofenic0.25蠕墨高熵合金的金相照片和sem照片。從圖2(a)金相照片和2(b)sem照片可以看出，合金存在2種不同的相以及黑色蠕蟲狀；進(jìn)一步放大黑色蠕蟲狀區(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)槠瑢訝畹氖?。這與xrd圖譜分析的結(jié)果相一致。c元素加入，高熵合金保持了較高的斷裂壓縮率和強(qiáng)度，耐磨性增強(qiáng)，但硬度稍有降低，如圖3和圖4所示。再者，隨著c含量增加，石墨析出量增加，抗耐磨性能提高。當(dāng)碳含量為0.25時，蠕墨高熵合金的石墨分布均勻、形態(tài)好，抗壓強(qiáng)度、斷裂壓縮率、硬度以及耐磨性達(dá)到平衡，al0.5cofenic0.25蠕墨高熵合金為綜合性能最佳，如后文實(shí)施例四。因此，通過調(diào)節(jié)高熵合金的成分和c元素的含量，因而調(diào)節(jié)高熵合金析出石墨的分布、形態(tài)以及平衡高熵合金的力學(xué)性能。

實(shí)施例一

本實(shí)施例是一種alcofenic0.1蠕墨高熵合金。

所述alcofenic0.1蠕墨高熵合金的制備方法為：

第一步：配料。采用純度不低于99.9wt.％的al、co、fe、ni以及fe-c合金，用機(jī)械方法除去表面的氧化皮，并用工業(yè)無水乙醇超聲波清洗金屬，按照實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的純金屬或合金。按成分比例配制混合料總共130.00g。

第二步：抽真空。將稱量好的料放置于事先清理干凈的水冷銅坩堝內(nèi)，電弧爐真空抽至3.0×10^-3pa，充入保護(hù)氣純度為99.99wt.％的高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓為-0.5pa(氣壓表顯示)。

第三步：熔煉。采用真空銅坩堝水冷電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉。為了降低爐內(nèi)的氧含量，首先將純鈦熔煉3遍，通過熔融態(tài)的純鈦吸收爐內(nèi)殘余氧氣。熔煉時，開啟電磁攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每次熔煉時間持續(xù)5min，邊熔煉邊擺動電弧槍。為了使合金成分均勻，在熔煉過程中，且每一遍熔完，待冷卻用翻轉(zhuǎn)勺翻轉(zhuǎn)合金錠，至少翻轉(zhuǎn)熔煉5次。熔煉完成后，冷卻至室溫，即制備出均勻的蠕墨高熵合金鑄錠。

第四步：澆注。將熔煉好的蠕墨高熵合金錠置于翻轉(zhuǎn)澆鑄坩堝內(nèi)，重復(fù)第二步抽真空，將熔化的蠕墨高熵合金液注入銅模，冷卻至室溫，即制得蠕墨高熵合金圓棒。

圖1中a為alcofenic0.1的xrd圖譜，合金由fcc、bcc和b2以及c組成，其中bcc和b2超點(diǎn)陣有序固溶體為增強(qiáng)相。合金通過塑性較好的fcc和增強(qiáng)相bcc、b2相互耦合，同時，析出的石墨具有潤滑性，改善耐磨性能，使得合金具有較好的綜合性能。測試結(jié)果如圖3和圖4所示，此成分蠕墨高熵合金在室溫下硬度為393hb，抗壓強(qiáng)度為2.98gpa，斷裂壓縮率為32.98％，磨損體積為0.0358mm³。

實(shí)施例二

本實(shí)施例是一種alcofenic0.15蠕墨高熵合金。

所述alcofenic0.15蠕墨高熵合金的制備方法為：

第一步：配料。實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的al、co、fe、ni以及fe-c合金，用機(jī)械方法除去表面的氧化皮，并用工業(yè)無水乙醇超聲波清洗金屬。按照實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的純金屬或合金。按成分比例配制混合料總共130.00g。

第二步：抽真空。將稱量好的料放置于事先清理干凈的水冷銅坩堝內(nèi)，電弧爐真空抽至3.0×10^-3pa，充入保護(hù)氣純度為99.99wt.％的高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓為-0.5pa(氣壓表顯示)。

第三步：熔煉。采用真空銅坩堝水冷電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉。為了降低爐內(nèi)的氧含量，首先將純鈦熔煉3遍，通過熔融態(tài)的純鈦吸收爐內(nèi)殘余氧氣。熔煉時，開啟電磁攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每次熔煉時間持續(xù)5min，邊熔煉邊擺動電弧槍。為了使合金成分均勻，在熔煉過程中，且每一遍熔完，待冷卻用翻轉(zhuǎn)勺翻轉(zhuǎn)合金錠，至少翻轉(zhuǎn)熔煉5次。熔煉完成后，冷卻至室溫，即制備出均勻的蠕墨高熵合金鑄錠。

第四步：澆注。將熔煉好的蠕墨高熵合金錠置于翻轉(zhuǎn)澆鑄坩堝內(nèi)，重復(fù)第二步抽真空，將熔化的蠕墨高熵合金液注入銅模，冷卻至室溫，即制得蠕墨高熵合金圓棒。

從圖1所示xrd譜圖可知，增加含c量，石墨、bcc以及b2結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的衍射峰增強(qiáng)，說明石墨析出量增加，合金的摩擦系數(shù)減小，耐磨性提高。bcc和b2則有利于提高合金的抗壓強(qiáng)度和硬度，但是由于石墨的析出，而降低材料的壓縮塑性和硬度，最終使得合金的抗壓強(qiáng)度和硬度變化不大，如圖3和圖4所示的alcofenic0.15。測試結(jié)果表明，此成分蠕墨高熵合金在室溫下硬度為387.8hb，抗壓強(qiáng)度為2.76gpa，斷裂壓縮率為38.78％，磨損體積為0.0294mm³。

實(shí)施例三

本實(shí)施例是一種alcofenic0.2蠕墨高熵合金。

所述alcofenic0.2蠕墨高熵合金的制備方法為：

第一步：配料。實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的al、co、fe、ni以及fe-c合金，用機(jī)械方法除去表面的氧化皮，并用工業(yè)無水乙醇超聲波清洗金屬。按照實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的純金屬或合金。按成分比例配制混合料總共130.00g。

第二步：抽真空。將稱量好的料放置于事先清理干凈的水冷銅坩堝內(nèi)，電弧爐真空抽至3.0×10^-3pa，充入保護(hù)氣純度為99.99wt.％的高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓為-0.5pa(氣壓表顯示)。

第三步：熔煉。采用真空銅坩堝水冷電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉。為了降低爐內(nèi)的氧含量，首先將純鈦熔煉3遍，通過熔融態(tài)的純鈦吸收爐內(nèi)殘余氧氣。熔煉時，開啟電磁攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每次熔煉時間持續(xù)5min，邊熔煉邊擺動電弧槍。為了使合金成分均勻，在熔煉過程中，且每一遍熔完，待冷卻用翻轉(zhuǎn)勺翻轉(zhuǎn)合金錠，至少翻轉(zhuǎn)熔煉5次。熔煉完成后，冷卻至室溫，即制備出均勻的蠕墨高熵合金鑄錠。

第四步：澆注。將熔煉好的蠕墨高熵合金錠置于翻轉(zhuǎn)澆鑄坩堝內(nèi)，重復(fù)第二步抽真空，將熔化的蠕墨高熵合金液注入銅模，冷卻至室溫，即制得蠕墨高熵合金圓棒。

當(dāng)c為0.2時，b2結(jié)構(gòu)對應(yīng)的衍射峰明顯增強(qiáng)(圖1)，fcc和bcc、b2的體積占比達(dá)到更優(yōu)值，合金的抗壓強(qiáng)度和壓縮塑性達(dá)到最大值，但硬度和磨損體積降低，如圖3和圖4所示。雖然硬度的降低，會降低耐磨性能，但石墨的析出量增加，則增加了摩擦潤滑劑，摩擦系數(shù)減小，耐磨性能提高。測試結(jié)果表明，此成分蠕墨高熵合金在室溫下硬度為358.7hb，抗壓強(qiáng)度為3.14gpa，斷裂壓縮率為34.07％，磨損體積為0.0176mm³。

實(shí)施例四

本實(shí)施例是一種alcofenic0.245蠕墨高熵合金。

所述alcofenic0.245蠕墨高熵合金的制備方法為：

第一步：配料。實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的al、co、fe、ni以及fe-c合金，用機(jī)械方法除去表面的氧化皮，并用工業(yè)無水乙醇超聲波清洗金屬。按照實(shí)驗(yàn)采用純度不低于99.9wt.％的純金屬或合金。按成分比例配制混合料總共130.00g。

第二步：抽真空。將稱量好的料放置于事先清理干凈的水冷銅坩堝內(nèi)，電弧爐真空抽至3.0×10^-3pa，充入保護(hù)氣純度為99.99wt.％的高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣壓為-0.5pa(氣壓表顯示)。

第三步：熔煉。采用真空銅坩堝水冷電弧熔煉爐進(jìn)行熔煉。為了降低爐內(nèi)的氧含量，首先將純鈦熔煉3遍，通過熔融態(tài)的純鈦吸收爐內(nèi)殘余氧氣。熔煉時，開啟電磁攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每次熔煉時間持續(xù)5min，邊熔煉邊擺動電弧槍。為了使合金成分均勻，在熔煉過程中，且每一遍熔完，待冷卻用翻轉(zhuǎn)勺翻轉(zhuǎn)合金錠，至少翻轉(zhuǎn)熔煉5次。熔煉完成后，冷卻至室溫，即制備出均勻的蠕墨高熵合金鑄錠。

第四步：澆注。將熔煉好的蠕墨高熵合金鑄錠置于翻轉(zhuǎn)澆鑄坩堝內(nèi)，重復(fù)第二步抽真空，將熔化的蠕墨高熵合金液注入銅模，冷卻至室溫，即制得蠕墨高熵合金圓棒。

隨著c含量的繼續(xù)增加，蠕墨高熵合金的抗壓強(qiáng)度、塑性以及硬度降低，如圖4所示。蠕墨高熵合金的耐磨性提高，磨損體積0.0125mm³(圖3)。結(jié)合圖2所示的om照片以及sem分析結(jié)果可知，蠕蟲狀石墨均勻分布，進(jìn)一步放大，石墨成片狀。fcc、bcc、石墨以及b2結(jié)構(gòu)共存，這和圖1所示xrd圖譜相一致。測試結(jié)果表明，此成分蠕墨高熵合金在室溫下硬度為352.7hb，抗壓強(qiáng)度為2.43gpa，斷裂壓縮率為31.64％，磨損體積為0.0125mm³。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。