一种高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金、制备方法及其应用

本发明涉及高强耐蚀金属材料，尤其是一种高强耐蚀的高强耐蚀alcrfeni中熵合金、制备方法及其应用。

背景技术：

1、近年来，多主元合金因其新颖的设计理念和优异的性能而得到广泛关注。多主元合金具有四大效应，即热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的缓慢扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。和传统合金相比，多主元合金具有高强度、高韧性、高耐磨性和高耐蚀性等更优良的性能。其中，当混合熵δsm≥1.5r(r为气体常数，约8.314j/k/mol)时称为高熵合金，当r≤δsm≤1.5r时称为中熵合金。中熵合金不但具有多主元合金的四大效应，而且与高熵合金相比，组元数目的减少可以有效降低材料加工的难度和成本。

2、同时，基于近年来海洋特别是深海油气田的开发提速，与之相关的工程材料面临着高压、高腐蚀介质、低温(或热液区高温)、极端微生物附着等极端作业环境，对于海洋石油钻探、集输、贮运等环节涉及的材料强度、韧性、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳等性能要求不断提升。传统石油工程材料的性能已经接近极限，利用现有材料和技术手段已无法从根本上解决不断出现的工程难题，亟需新型海洋石油工程材料的开发与研究。

3、铝基高熵合金作为近年来研究最为广泛深入的高熵合金体系，基于“四大效应”展现出高强度、高硬度、抗高温软化、高耐磨和耐腐蚀等优异性能，其有望应用于海洋特别是深海油气开发中抗腐蚀套管和高性能隔水管等重要关键结构。但目前大多数的铝基高熵合金都为alcocrfeni，其含有的co元素，会产生高成本并限制了其工程应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金、制备方法及其应用。本发明中制备得到一种相结构简单、强度和耐腐蚀性优异的新型高强耐蚀alcrfeni中熵合金，同时通过优化的退火处理，提高材料的韧性，采用放电等离子烧结方法，将高强耐蚀alcrfeni中熵合金快速烧结致密化，本发明制备出的高强耐蚀alcrfeni中熵合金在石油石化领域具有良好的前景。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金，由如下原子百分比的原料制成：铝粉、铬粉、铁粉和镍粉的原子比为(0.8～1.6):1:1:1。

4、进一步地，所述铝粉、铬粉、铁粉和镍粉均为单质粉体，单质粉体纯度为99.9％，单质粉体的直径范围为25～50μm。

5、一种如上述高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，具体包括如下步骤：

6、步骤s1、称取原料，

7、按照原子百分比称取铝粉、铬粉、铁粉和镍粉，并混合均匀得到混合粉末；

8、步骤s2、机械合金化，

9、将步骤s1制得的混合粉末放入球磨机，球磨机内充有惰性保护气体，密封球磨粉碎，得到中熵合金原料粉末；

10、步骤s3、预压成型，

11、将步骤s2制得的中熵合金原料粉末装入石墨模具，预压成型得到预压件；

12、步骤s4、烧结成型，

13、将步骤s3制得的装有预压件的石墨模具封口，然后放入烧结炉中固定，进行烧结作业，烧结完成后冷却至室温取出，得到高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体；

14、步骤s5、退火后处理，

15、将步骤s4制得的高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体进行退火处理，并对退火后的高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体打磨处理，去除表面残留的外界杂质以及边缘的毛刺，从而得到高强耐蚀alcrfeni中熵合金成品；

16、其中，所述步骤s4中烧结炉为真空热压烧结炉或放电等离子烧结炉。

17、进一步地，所述步骤s2中球磨机采用行星式球磨机，行星式球磨机的研磨球采用直径分别为1mm、5mm和10mm的钢球；研磨球和混合粉末的质量比为10：1；球磨时间为30～60h；球磨转速为200r/min～400r/min。

18、进一步地，所述步骤s2还包括在球磨作业前，对球磨机的不锈钢球磨罐抽真空，随后充入纯度为99.99wt.％的氩气作为保护气体。

19、进一步地，所述步骤s3中预压压力为300～400mpa，预压时间为50～200s，预压件平面度＜0.5mm。

20、进一步地，所述步骤s4中在真空热压烧结炉烧结成型，具体方法为：将封口后的石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空保持炉内的真空度在1×10-3～3×10-3pa，以5℃/min的加热升温速率升温至200℃，后以20℃/min的加热升温速率升温至900～1000℃，并保温1～2h，在升温的同时加压，控制烧结压力为30～50mpa，烧结完成后卸载压力并随炉冷却。

21、进一步地，所述步骤s4中在放电等离子烧结炉烧结成型，通过具有多场效应的放电等离子烧结进行快速烧结，具体方法为：将封口后的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，以75～100℃/min的加热升温速率升温至900～1000℃，并保温10～20min，整个烧结过程中，施加的压力保持在30～50mpa，烧结完成后卸载压力并随炉冷却。

22、进一步地，所述步骤s5退火后处理具体方法为：退火温度为900～1000℃，保温时间1h～2h；高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体打磨处理的步骤具体包括：对退火后的高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体表面分别用400#、800#、1200#、1500#、2000#的砂纸打磨，并用粒度为w2.5的金刚石抛光剂进行抛光，再放到去离子水和无水乙醇中分别用超声波清洗5min，以此去除样品烧结中残留的外界杂质以及烧结过程中边缘产生的毛刺。

23、一种如上述高强耐蚀alcrfeni中熵合金的应用，所述高强耐蚀alcrfeni中熵合金在石油石化领域中的应用。

24、本发明的有益效果为：本发明设计合理，具有以下优点：

25、(1)、本发明制备的高强耐蚀alcrfeni中熵合金，通过调整原料的配比，能够调节高强耐蚀alcrfeni中熵合金成品中各相的占比，从而调控其腐蚀速率和力学性能；

26、(2)、本发明提供的制备方法中采用真空热压烧结法，在真空环境下进行制备，对于铝这种在空气中极易被氧化的金属粉末，有效避免了界面氧化，使烧结材料的纯洁度和致密性进一步提升；同时利用较高的预压力和退火工艺，提高了烧结体的韧性、致密度和热稳定性；本发明提供的制备方法具有成本低、能耗小、烧结温度低等优点；

27、(3)、本发明提供的制备方法中采用放电等离子烧结法，放电等离子烧结具有升温速度快、烧结温度低、加热均匀、快速烧结致密化的优点，能有效抑制晶粒的长大，从而提高了烧结体的硬度和韧性；本发明提供的制备方法具有工艺流程简单、效率高、烧结体性能优异等优点。

技术特征：

1.一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金，其特征在于：由如下原子百分比的原料制成：铝粉、铬粉、铁粉和镍粉的原子比为(0.8～1.6):1:1:1。

2.根据权利要求1所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金，其特征在于：所述铝粉、铬粉、铁粉和镍粉均为单质粉体，单质粉体纯度为99.9％，单质粉体的直径范围为25～50μm。

3.一种如权利要求1～2任一项所述高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中球磨机采用行星式球磨机，行星式球磨机的研磨球采用直径分别为1mm、5mm和10mm的钢球；研磨球和混合粉末的质量比为10：1；球磨时间为30～60h；球磨转速为200r/min～400r/min。

5.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s2还包括在球磨作业前，对球磨机的不锈钢球磨罐抽真空，随后充入纯度为99.99wt.％的氩气作为保护气体。

6.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中预压压力为300～400mpa，预压时间为50～200s，预压件平面度＜0.5mm。

7.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中在真空热压烧结炉烧结成型，具体方法为：将封口后的石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空保持炉内的真空度在1×10-3～3×10-3pa，以5℃/min的加热升温速率升温至200℃，后以20℃/min的加热升温速率升温至900～1000℃，并保温1～2h，在升温的同时加压，控制烧结压力为30～50mpa，烧结完成后卸载压力并随炉冷却。

8.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中在放电等离子烧结炉烧结成型，具体方法为：将封口后的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，以75～100℃/min的加热升温速率升温至900～1000℃，并保温10～20min，整个烧结过程中，施加的压力保持在30～50mpa，烧结完成后卸载压力并随炉冷却。

9.根据权利要求3所述的一种高强耐蚀alcrfeni中熵合金的制备方法，其特征在于：所述步骤s5退火后处理具体方法为：退火温度为900～1000℃，保温时间1h～2h；高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体打磨处理的步骤具体包括：对退火后的高强耐蚀alcrfeni中熵合金烧结体表面分别用400#、800#、1200#、1500#、2000#的砂纸打磨，并用粒度为w2.5的金刚石抛光剂进行抛光，再放到去离子水和无水乙醇中分别用超声波清洗5min，以此去除样品烧结中残留的外界杂质以及烧结过程中边缘产生的毛刺。

10.一种如权利要求1～2任一项所述高强耐蚀alcrfeni中熵合金的应用，其特征在于：所述高强耐蚀alcrfeni中熵合金在石油石化领域中的应用。

技术总结
本发明涉及高强耐蚀金属材料技术领域，尤其是一种高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金、制备方法及其应用。这种高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金，由如下原子百分比的原料制成：铝粉、铬粉、铁粉和镍粉的原子比为(0.8～1.6):1:1:1。这种制备方法，具体包括称取原料、机械合金化、预压成型、烧结成型和退火后处理。本发明中制备得到一种相结构简单、强度和耐腐蚀性优异的新型高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金，同时通过优化的退火处理，提高材料的韧性；采用放电等离子烧结方法，将高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金快速烧结致密化。本发明制备出的高强耐蚀AlCrFeNi中熵合金在石油石化领域具有良好的前景。

技术研发人员：郭浦山,庞源,张竞丹,张屹
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31