[发明专利]一种高熵合金控温近等温塑性加工技术

说明书

技术领域

本发明属于金属材料通过塑性成形进行加工改性的技术方法，主要是针对晶格畸变严重，变形过程易发生开裂的高熵合金的可控温近等温塑性加工方法。

背景技术

金属材料是社会发展的重要基础，在人类社会的发展中发挥着重要作用。从青铜器时代开始，金属材料逐步进入人类的社会生活，不断满足人类社会发展对材料的不同需求。早期金属材料的使用多以纯金属为主，随着社会进步和人类知识科研水平的提高，人类开发出了数量庞大的合金体系，包括钢铁材料，铜合金，铝合金以及镁合金等。这些合金共同特点是以一种金属元素作为主要元素，根据服役环境的不同，通过添加不同的少量其他合金元素来改善其综合性能。这种合金设计理念在金属材料的发展过程中发挥了重要作用，但由于受到设计思想的限制，新合金的开发正在步入瓶颈阶段。

高熵合金，也称多主元高熵合金(Multi-element High-entropy Alloys)，是由n种(13>n>5)金属或非金属，以等摩尔比或非等摩尔比经熔炼、烧结或其它方法组合而形成的具有金属特性的新型合金材料。突破了添加少量合金元素改善材料组织性能的材料设计理念，各种元素在合金中保持较高但又不高于35％的原子百分比，相互作用形成多元素集体效应。微观上表现为热稳定性很高的FCC(BCC)固溶相和纳米及非晶结构，宏观上表现为高强度、高硬度、高耐磨性及高抗氧化性等，宏微观综合性能明显优于传统合金。

但由于高熵合金由多元素组元组成，晶格畸变严重，塑性变形过程中易发生开裂失稳，严重影响材料质量以及加工过程，极大程度地限制了高熵合金在现代科技国防等领域的大规模生产应用。

因此，在现有塑性加工技术难以对高熵合金进行稳定有效塑性改性的情况下，发明一种控温近等温成形技术对高熵合金进行加工改性具有重要工程意义与实践价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对高熵合金晶格畸变严重，对变形温度依赖度高，塑性改性过程中易产生开裂等问题的控温近等温塑性改性方法。

本发明提出的控温近等温塑性改性技术是结合控温模具，通过热电偶实时对模具内的高熵合金锭坯进行温度采集，获得沿变形方向的材料实时温度梯度曲线，结合材料微观晶体结构特征，对模具温度进行在线调控，以控制材料变形温度条件，保证材料在近等温以及保持良好高度方向温度梯度的条件下成形。在近等温条件下对高熵合金进行加工，可以将变形温度控制在最佳温度范围内，保证微观组织转变的充分性与可控性。在良好的变形温度梯度下进行加工，保证了材料各部分变形的均匀性。通过近等温控制，可以抑制微裂纹的萌生与扩展，细化晶粒，实现对高熵合金材料微观组织转变的精细化控制，提高材料力学性能。

为实现本发明目的，采用以下主要技术步骤：

(1)锭坯的前处理和固定：将高熵合金锭坯加热至最适合变形的变形温度进行一定时间的保温，以保证组织的均匀化。在此基础上，通过夹持机构将高熵合金锭坯固定于下凹模内,并保证夹持机构上的温度传感器与锭坯接触。

(2)温度采集和调控：夹持机构上的温度传感器采集温度信息，将所得信息反馈给计算机，计算机通过控温装置控制热电阻进行加热，实现控制锭坯变形温度和温度梯度，使其保持在最佳温度范围。

(3)压缩成形：通过上模运动压缩变形，温度传感器-计算机-控温装置组 成的闭环系统时时对锭坯变形温度进行温度采集与控制。

(4)翻转压缩：将压缩至变形量后的锭坯通过夹持机构进行翻转并对下凹模与上凸模升温，当温度达到变形温度后再次压缩。重复此翻转压缩过程，直至完成锭坯改性加工。

(5)锭坯冷却：从模具中取出成形锭坯，在空气中冷却至室温。

进一步的，在步骤(1)的过程中，所述保温时间应优选30分钟，使经热处理的锭坯组织均匀。所述模具应外加保温层，减少热量损失。所述夹持机构应装有3至5个温度传感器。

进一步的，在步骤(2)的过程中，所述热电阻经穿孔安装在保温模具内，并用陶瓷层包裹。变形温度应控制在根据相应高熵合金成分以及微观晶体结构所确定的最佳变形温度范围内，所控制的锭坯变形温度梯度应根据锭坯晶格畸变程度确定，一般应小于30℃。

进一步的，在步骤(3)的过程中，所述压缩成形量应根据高熵合金材料晶格畸变程度在25％～40％范围内选取。

进一步的，在步骤(4)的过程中，每次翻转应选择垂直投影方向翻转90°,所述压缩成形量应根据高熵合金材料晶格畸变程度在15％～25％范围内选取，所选加工道次也由晶格畸变度确定，至少完成四个加工道次。