低成本耐热不锈中熵合金及其制备方法

本发明属于中熵合金，具体涉及低成本耐热不锈中熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、耐热不锈钢作为核电和火电管道用关键结构材料，其高温蠕变强度和组织稳定性是保证其高温服役的关键。fe、cr、ni是奥氏体不锈钢不锈钢的主要元素，高cr量不仅可以提高合金的耐腐蚀性，也能显著提升合金的抗高温氧化能力，例如在873k以下，不锈钢表面形成的cr2o3氧化物钝化膜能够很好地起到抗氧化作用。然而，在873k以上，尤其是含水蒸气的环境中，cr2o3易于和水蒸气形成不稳定的或挥发性的氢氧化物，严重恶化了cr2o3层的稳定性，从而制约了传统不锈钢在许多高温环境的使用。

2、目前，在民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业能源领域，需要耐高温873～973k的不锈合金材料，常规的奥氏体不锈钢已经无法满足上述领域的需求，耐热不锈钢的性能提升已经朝着高度合金化的研究方向发展，而中熵合金的概念提出正好符合高度合金化的思路。此外，奥氏体不锈钢一般强度低，尤其是屈服强度，这也是限制其应用的主要因素，中熵合金概念的引入，可以提升合金的晶格畸变和短程有序程度，从而在综合性能提升方面起到重要作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种低成本耐热不锈中熵合金，在高低温条件下具有优异的强度和塑性，同时兼具高抗氧化性和高抗腐蚀性，适用于民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业能源领域；本发明还提供其制备方法，工艺合理，简单易行。

2、本发明所述的低成本耐热不锈中熵合金，化学式为feycryniyalxsix，其中x=0.1或0.2，2x+3y=1。

3、本发明在fecrni等原子中熵合金基础上加入适量的al元素和si元素形成耐热中熵合金，其中fe、cr、ni采用等原子摩尔比，为单相面心立方晶体结构，性能稳定；al2o3的生长速度比cr2o3低1~2个数量级，且al2o3具有更高的热力学稳定性，在高温工作环境下具有更好的保护作用；si对cr2o3的形成具有一定的促进作用，而且si对o的亲和力介于cr和al之间，适量的si能促进al2o3膜的形成，并且可以减小氧化层和基体之间的nial贫化区的距离，从而延长中熵合金的抗氧化时间；此外，al元素和si元素显著的固溶强化也能后显著提升中熵合金的力学性能。

4、本发明所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，包括以下步骤：

5、将fe、cr、ni、al、si金属单质混合熔炼，得到中熵合金板，然后依次进行均匀化热处理、轧制、退火处理，得到低成本耐热不锈中熵合金。

6、优选的，fe、cr、ni、al、si金属单质在熔炼前需要净化表面氧化物。

7、优选的，fe、cr、ni、al、si金属单质的纯度均≥99.9%。

8、优选的，金属单质原料中，al、si摩尔百分比均为10%或者均为20%，fe、cr、ni为等摩尔比。

9、优选的，在熔炼时，采用高真空电弧熔炼炉，在氩气保护下，将fe、cr、ni、al、si金属单质熔炼5~8次，制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中，得到中熵合金板。

10、进一步优选的，中熵合金板尺寸为2mm×10mm×100mm。

11、优选的，均匀化热均匀化热处理的温度为1050~1150℃，时间为4~6h。

12、优选的，轧制温度为室温，轧制至不锈中熵合金板厚度减少65~75%。

13、优选的，退火处理的温度为850~950℃，时间为0.5~2h。

14、本发明所制备的低成本耐热不锈中熵合金，在25℃下的准静态拉伸屈服强度为650~860mpa，极限抗拉强度为925~1350mpa，在900℃下氧化72h后的氧化增重为0.931~1.782mg/cm2。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

16、（1）本发明对奥氏体不锈钢进行主要元素的高浓度化，将fe、cr、ni三个主要成分进行等摩尔比设计，实现基体强度的提升，并引入si、al成分，在提高合金抗氧化性和抗腐蚀性的同时，促进σ相以及bcc纳米相的析出，使得合金在高低温条件下表现出较优异的强度和塑性，而且al2o3保护膜在600℃以上的水汽环境下具有更好保护作用，si对cr2o3和al2o3钝化膜的形成具有一定的促进作用；

17、（2）本发明的中熵合金均匀化热处理后在面心立方（fcc）基体中析出两种第二相，分别是尺寸为~250nm的σ相以及尺寸为~70nm的bcc相，通过两种第二相的协同作用使得合金在高低温条件下表现出较优异的屈服强度和塑性，同时兼具高抗氧化性和高抗腐蚀性，优于传统的耐热钢，适用于民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业能源领域；

18、（3）本发明的中熵合金相较于传统的高熵合金元素种类较少，且不包含co、ti、v等贵金属元素，制备工艺更加简单，成本更低。

技术特征：

1.一种低成本耐热不锈中熵合金，其特征在于：化学式为feycryniyalxsix，其中x=0.1或0.2，2x+3y=1。

2.根据权利要求1所述的低成本耐热不锈中熵合金，其特征在于：中熵合金feycryniyalxsix在25℃下的准静态拉伸屈服强度为650~860mpa，极限抗拉强度为925~1350mpa，在900℃下氧化72h后的氧化增重为0.931~1.782mg/cm2。

3.一种权利要求1或2所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：fe、cr、ni、al、si金属单质在熔炼前需要净化表面氧化物。

5.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：fe、cr、ni、al、si金属单质的纯度均≥99.9%。

6.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：金属单质原料中，al、si摩尔百分比均为10%或者均为20%，fe、cr、ni为等摩尔比。

7.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：在熔炼时，采用高真空电弧熔炼炉，在氩气保护下，将fe、cr、ni、al、si金属单质熔炼5~8次，制成合金纽扣锭并吸铸到铜模具中，得到不锈中熵合金板。

8.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：均匀化热处理的温度为1050~1150℃，时间为4~6h。

9.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：轧制温度为室温，轧制至不锈中熵合金板厚度减少65~75%。

10.根据权利要求3所述的低成本耐热不锈中熵合金的制备方法，其特征在于：退火处理的温度为850~950℃，时间为0.5~2h。

技术总结
本发明属于中熵合金技术领域，具体涉及低成本耐热中熵合金及其制备方法。所述的低成本耐热中熵合金，化学式为Fe<subgt;y</subgt;Cr<subgt;y</subgt;Ni<subgt;y</subgt;Al<subgt;x</subgt;Si<subgt;x</subgt;，其中x=0.1或0.2，2x+3y=1。本发明对奥氏体不锈钢进行主要元素的高浓度化，将Fe、Cr、Ni三个主要成分进行等摩尔比设计，实现基体强度的提升，并引入Si、Al成分，在提高合金抗氧化性和抗腐蚀性的同时，促进σ相以及BCC纳米相的析出，使得合金在高低温条件下具有优异的强度和塑性，同时兼具高抗氧化性和高抗腐蚀性，适用于民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业能源领域。

技术研发人员：张团卫,白天祥,焦志明,王志华
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15