一种添加稀土提高含硼高熵合金强韧性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种添加稀土元素提高含硼高熵合金强韧性的方法，属于合金材料【技术领域】。本发明所述的成分设计思路是在5种或5种以上元素组成的高熵合金中添加摩尔分数0.1～8％的硼元素，并同时联合添加0.1～4％的Y或Ce等稀土元素。稀土元素可提高高熵合金中小原子硼元素间隙固溶强化效果，改善脆性硼化物硬质相的析出含量、形态及分布，从而同步提高含硼高熵合金的强度和韧性。
【专利说明】一种添加稀土提高含硼高熵合金强韧性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金【技术领域】，具体涉及一种添加稀土提高含硼高熵合金中小原子硼 间隙固溶强化效果，改善硼化物析出形态和分布，同步提高含硼高熵合金强韧性的方法。
【背景技术】
[0002] 高熵合金是近几年新金属结构材料研究的热点之一，其主要合金成分由5至11种 主要元素以等摩尔比或近等摩尔比配置，可兼具良好的硬度、强度、耐腐蚀、耐氧化和高温 耐热性能。高熵合金已报道的主要强化方法一般通过提高Al、Ti、Mo等大原子合金元素含 量以增加超饱和置换固溶体的晶格畸变，促进固溶强化效果。从原子结构上看，固溶强化理 论认为置换式固溶原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，而间隙原子的添加可 使晶格产生不对称畸变，已有研究表明间隙原子的固溶强化效果明显高于置换固溶体。但 由于非金属与金属元素之间强烈的结合能使两者形成的间隙化合物具有高的热力学形成 焓，高熵合金中添加小原子硼元素极易导致合金凝固后析出大量粗大的脆性硼化物，降低 固溶强化效果和合金的韧性。因此，提高高熵合金中非金属小原子硼的固溶强化效果，改善 脆性粗大硼化物的析出含量和形态，成为同步提高含硼高熵合金强韧性迫切需要解决的技 术。
【发明内容】
[0003] 为克服现有技术的不足，本发明提出了一种添加少量稀土钇或铈元素提高小原子 硼在高熵合金中强化效果的方法，以期改善脆性硼化物硬质相的析出含量、形态及分布，从 而同步提高含硼高熵合金的强度和韧性。
[0004] 为了实现以上技术目的，本发明是通过以下技术方案予以实现。
[0005] 本发明一种添加稀土提高含硼高熵合金强韧性的方法，具体是：在5种或5种以上 元素组成的高熵合金中同时联合添加硼和稀土元素；所述高熵合金成分中每种元素含量分 别占合金总摩尔数的2?35%;所述添加的硼元素含量占合金总摩尔数的0. 1?8%;所述 添加的稀土元素为钇或铺，其占合金总摩尔数的〇. 1?4%。
[0006] 本发明的科学原理及效果：
[0007] 与不含稀土元素的相同成分含硼高熵合金对比，稀土元素在含硼高熵合金中可以 降低粗大硼化物的析出含量和尺寸，改善硼化物分布形态，有利于提高硼在高熵合金固溶 体基体中的间隙固溶度，从而提高硼在高熵合金中的间隙固溶和第二相强化效果，提高高 熵合金硬度的同时避免韧性迅速的降低。此外，稀土元素还可以起到传统合金中类似的净 化晶界、细化晶粒的作用。
[0008] 本发明的提出解决了非金属硼元素在高熵合金中不易固溶，往往以粗大脆性硼化 物形态析出的问题，因而可促进含硼高熵合金的强韧化效果，提高高熵合金综合力学性能， 且使用面广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为电弧炉熔炼铁?钴?镍?铬?铝? 8%硼块体高熵合金组织中硼化物析出 形貌图。
[0010] 图2为电弧炉熔炼铁?钴?镍?铬?铝? 8%硼? 4%钇块体高熵合金组织中硼化 物析出形貌图。
[0011] 图3为激光熔覆铁?钴?镍?铬?铜? 2%硼高熵合金涂层中硼化物析出形貌图。
[0012] 图4为激光熔覆铁?钴?镍?铬?铜? 2%硼? 1%钇高熵合金涂层中硼化物析出 形貌图。
【具体实施方式】
[0013] 按成分设计的要求制备5种以上元素组成的高熵合金，再添加所需含量的硼和稀 土元素。选取的试样原料其纯度不低于99%，从母材上截取适量的原料，然后将所获得的原 料混合在一起。随后采用电热丝加热法，感应加热法，机械合金化法、粉末冶金法、电弧炉熔 炼法等块体材料制备技术，或激光熔覆、等离子喷涂等涂层制备技术制备联合添加硼和稀 土元素的高熵合金涂层。将熔炼好的试样采用显微组织形貌观察硼化物析出的形态，同时 利用维氏硬度计测试试样硬度，实验力为l〇Kg，由于材料不同的脆性将引起硬度压痕尖端 形成不同长度的裂纹，通过不同试样压痕尖端形成的裂纹长度变化比较材料的脆性。以下 将通过实施例1电弧熔炼块体含硼高熵合金和实施例2激光熔覆制备含硼高熵合金涂层说 明本发明具体实施效果。
[0014] 实施例1
[0015] 取Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Mn、Mo等多种金属元素，并在合金中添加不同含量的小原子 硼元素和稀土元素钇或铈，配置高熵合金成分分别标号1?3组共9个成分，用于比较联合 添加硼、稀土元素对高熵合金硬度和脆性的影响，成分编号如表1中所示。将各组配置好 的成分置于真空电弧炉熔炼炉的水冷铜模中，再盖上炉盖，首先真空抽气至约〇. 01大气压 后冲入纯氩气，再重复抽气及重启操作1?2次后开始熔炼。每次熔炼凝固完成后，将铜 模中的合金翻面再供电弧溶解，如此反复数次直到所有合金均匀混合位置。试样制备完成 后进行力学性能测试，维氏硬度和压痕尖端裂纹长度等测试结果见表1。从表中可以看出， 三组成分高熵合金中如仅添加硼元素虽然可以起到显著提高硬度的作用，但压痕尖端形成 的裂纹长度明显增加，显示少量硼元素添加对高熵合金的韧性不利。而在含硼高熵合金中 同时添加少量稀土元素后，试样不仅硬度显著增加，而且尖端裂纹延伸长度明显缩小，接近 不添加硼的对比成分试样。结果表明含硼高熵合金中联合添加稀土元素，有利于同步提高 含硼高熵合金强韧性。图1和图2是第一组成分2号和3号试样组织对比结果，可以看出 铁?钴?镍?铬?铝合金中添加8%硼元素后组织中出现了大量以小平面晶方式生长的块 状硼化物析出相，而在相同含量含硼高熵合金中添加4%稀土钇后组织中硼化物的析出含 量明显减少，硼化物析出相尺寸细化，说明稀土钇的添加对提高含硼高熵合金小原子硼的 间隙固溶度，改善硼化物析出形态有明显作用。
[0016] 表1电弧炉熔炼含硼高熵合金的组成元素、硬度值及压痕尖端裂纹长度
[0017]
【权利要求】
1. 一种添加稀土提高含硼高熵合金强韧性的方法，其特征在于，在5种或5种以上元 素组成的高熵合金中同时联合添加硼和稀土元素； 所述高熵合金成分中每种元素含量分别占合金总摩尔数的2?35% ; 所述添加的硼元素含量占合金总摩尔数的〇. 1?8% ; 所述添加的稀土元素为纪或铺，其占合金总摩尔数的0. 1?4%。
【文档编号】C22C33/04GK104451351SQ201410820809
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】张晖, 何宜柱, 李明喜 申请人:安徽工业大学