一种高强度高耐腐蚀性的Fe-Cr-Ni-Al系高熵合金及其制备方法

本发明涉及高熵合金领域，尤其涉及一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、发展海洋装备、建设海洋工程是推进和实施国家海洋战略的重要内容，然而，海水对海洋装备的腐蚀，严重制约着海洋经济的发展造成巨大的经济损失，并且还可能引发灾难性事故和环境污染，因此，开发新型耐腐蚀结构材料，成为国内外学者研究的热点，目前，较多研究fe-ni-ni-al-co体系高熵合金，因为其存在因元素含量调控而使得其比传统的高强度耐海水腐蚀性能不锈钢拥有更高的强度、力学性能及耐海水腐蚀性能的可能性；但是co是昂贵的金属元素，会大大增加商业用的成本，所以在考虑控制及降低成本的方向上，亟需调配出一种达到上述要求的fe-cr-ni-al体系的高熵合金。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金，去掉了昂贵的co元素，调配fe-cr-ni-al体系元素比例，获得高强度、高耐海水腐蚀性能的高熵合金。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金，包括铁(fe)、铬(cr)、镍(ni)、铝(al)四种元素，其中fe的原子百分比为33%≤x(fe)≤36％，cr的原子百分比为33％≤x(cr)≤37.3％，ni的原子百分比为13％≤x(ni)≤20％，al的原子百分比为8％≤x(al)≤15％，fe-cr-ni-al系高强高熵合金由ordered bcc结构和disordered bcc结构组成。

3、本发明的另一个技术方案为：一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤一：选用纯度为99.99％的fe、cr、ni、al金属原料，根据fe、cr、ni、al原子百分比精确称量四种原料，将fe、cr、ni和al金属单质按照高熔点在上，低熔点在下的原则，即al放在下面，fe、cr和ni放在最上面，堆放在真空电弧熔炼炉的铜坩埚中；

5、步骤二：关闭炉门，冲入氩气防止熔炼过程中合金氧化；

6、步骤三：先开启电流进行引弧，将电弧枪移动至高熵合金的位置，对fecrnial系高熵合金进行熔炼，熔炼直至合金全部熔化并且混合均匀，然后关闭电流，待合金铸锭冷却之后，通过转动机械手臂将刚熔炼过的铸锭翻面，调至合适的电流大小，重复进行熔炼；为了使得合金成分混合充分均匀，对于每个合金铸锭，均进行5次翻面，即熔炼6次；

7、步骤四：在所有的fecrnial系高熵合金熔炼完成后，待坩埚冷却，打开气阀通入空气，保证气压的前提下后打开炉门，将成型的铸锭取出。

8、优选的，步骤二中冲氩气时，先将熔炼设备抽真空至3×10-4 pa，然后充入氩气至0.05mpa，此过程反复重复3次；

9、优选的，步骤三中每次熔炼铸锭的时间为3～5分钟。

10、优选的，步骤三中熔炼铸锭的电流大小为350～380a。

11、一般热处理等工艺可以使合金中晶粒变小以达到细晶强化而使得力学性能和耐腐蚀性能有一定的提升，但是这对热处理工艺的温度和时间，以及后续处理有着严格的要求，投入成本较高；本发明无需经过任何热处理工艺，通过较为简单的真空电弧熔炼法即能制备出比传统的高强度耐海水腐蚀性能不锈钢拥有更好的强度、力学性能及耐海水腐蚀性能合金材料。

12、本发明的技术效果为：

13、本发明的fecrnial系高强度、高耐海水腐蚀高熵合金在铸态下，屈服强度约为1146.26～1414.63mpa，压缩应变约为23.47～29.62%，抗压强度为1609～1896.9mpa；而常用的不锈钢sus304的屈服强度为≥205mpa，抗压强度为≥515mpa；sus304l的屈服强度为≥205mpa，抗压强度为≥520mpa；sus316l的屈服强度为≥177mpa，抗压强度为≥480mpa，合金在铸态下这种优异的强塑性配合和高比屈服强度，超过现有的大部分高熵合金。

14、本发明的fecrnial系高强度、高耐海水腐蚀高熵合金在铸态下，维氏硬度约为456.3hv～469.3hv；而常用的上述3种不锈钢的维氏硬度均≤220hv。

15、本发明的fecrnial系高强度、高耐海水腐蚀高熵合金在铸态下，使用常规的模拟海水溶液（3.5wt. %nacl溶液）进行电化学测试，得出腐蚀电位约为-137.12～-128.06mvsce，腐蚀电流密度约为0.0045～0.0615μa·cm-2，点蚀电位约为685.15～940.4mvsce，而上述3种不锈钢的腐蚀电位约≤175 mvsce，腐蚀电流密度均≥0.2μa·cm-2。

16、本发明提出的fecrnial系高熵合金不需要热处理工艺等复杂的后处理工艺，通过简单的真空电弧熔炼方法即可实现，因此，有利于节约资源和节省成本，便于商业化工业生产。

技术特征：

1.一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金，其特征在于，包括铁(fe)、铬(cr)、镍(ni)、铝(al)四种元素，其中fe的原子百分比为33%≤x(fe)≤36％，cr的原子百分比为33％≤x(cr)≤37.3％，ni的原子百分比为13％≤x(ni)≤20％，al的原子百分比为8％≤x(al)≤15％，fe-cr-ni-al系高强高熵合金由ordered bcc结构和disordered bcc结构组成。

2.如权利要求1所述的一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤二中冲氩气时，先将熔炼设备抽真空至3×10-4 pa，然后充入氩气至0.05mpa，此过程反复重复3次。

4.根据权利要求2所述的一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤三中每次熔炼铸锭的时间为3～5分钟。

5.根据权利要求2所述的一种高强度高耐腐蚀性的fe-cr-ni-al系高熵合金的制备方法，其特征在于，步骤三中熔炼铸锭的电流大小为350～380a。

技术总结
本发明涉及一种高强度高耐腐蚀性的Fe‑Cr‑Ni‑Al系高熵合金，包括铁(Fe)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)四种元素，其中Fe的原子百分比为33%≤x(Fe)≤36％，Cr的原子百分比为33％≤x(Cr)≤37.3％，Ni的原子百分比为13％≤x(Ni)≤20％，Al的原子百分比为8％≤x(Al)≤15％。Fe‑Cr‑Ni‑Al系高强高熵合金由Ordered BCC结构和Disordered BCC结构组成；去掉了昂贵的Co元素，调配Fe‑Cr‑Ni‑Al体系元素比例，获得高强度、高耐海水腐蚀性能的高熵合金。

技术研发人员：海洋,梁进卿,徐婧,王威,曹正航,孙振忠
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17