[发明专利]一种Fe-Mn-Al-C-M多主元轻质高强合金及其制备方法

说明书

本发明公开一种Fe‑Mn‑Al‑C‑M多主元轻质高强合金及其制备方法,属于金属材料及其制备领域。本发明所述合金的化学成分(原子百分比)为：Fe34.0～38.0％，Mn31～37％，Al21.0～23.0％，C3.5～5.0％，M为Cr、Ti、V、Si和N中的一种或几种，且Cr0～10％；Ti0～1.5％,V0～1.5％，Si0～2％，N0～1.7％。制备工艺包括：使用真空电弧炉或感应电炉熔炼合金，获得合金坯料；加热到1100～1200℃，保温时间1～4h，炉冷或空冷，进行均匀化热处理；加热到1000～1100℃，保温0.5～4h，水冷或空冷，进行固溶处理；组织为奥氏体基体或者奥氏体+铁素体双相，通过热处理可以析出Cr、Ti、V等元素的碳化物。该发明合金具有低密度，减重效果显著，同时具有优良的综合力学性能，实现强度与塑性的良好匹配，并且合金成本低，适用于交通、机械和能源等工业领域。

技术领域

本发明涉及一种多主元轻质高强合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域。

背景技术

钢铁材料具有良好的力学性能，高成形性和可再循环能力，同时成本低廉，这些特点使其在汽车、建筑、石化、军工等领域有着广泛的应用。随着工业技术的不断发展，对材料的要求日益严格，发展高性能新材料势在必行。其中最常见的思路就是在传统材料的基础上改良，从而进一步提升材料的综合性能。从传统意义来看，先进钢的高强度特性一直是试图通过提高钢的强度来实现的，这时往往并不重视钢铁材料的密度。而降低材料密度，以使工业设备减重是实现节能减排的重要思路。以汽车工业为例，减少汽车重量能有效地降低油耗，有利于可持续性发展。钢铁材料只需降低10％的密度就能够显著提高在工业领域应用中的优越性与竞争力。传统钢铁材料密度虽然高于镁合金与铝合金等结构材料，但成本低廉。所以，开发集低密度与高强度性能于一身的铁基合金具有研究意义。

既能提高强度又降低密度的方法是在Fe-Mn-C基合金体系中添加轻质元素，比如铝元素，以此构成Fe-Mn-Al-C低密度钢这一体系。目前能够工程化应用的Fe-Mn-Al-C基低密度钢成分设计还是以Fe为主组元，Mn和Al降低密度的元素使用。Al和Mn含量分别控制在20at％和30at％以下，Fe含量作为主组元一般均在50％左右。该合金系的密度可降低至7g/cm³，比传统合金钢密度降低10％左右。如何进一步降低合金的密度，以进一步达到降低构件的目的，尚需采用新的合金成分设计方法。

近年来，采用多主元成分设计思路发展新型材料引起了人们越来越多关注。高熵合金和中熵合金就是这一思路的典型例证。高熵和中熵合金的特征是按照形成固溶体的构型熵来划分，高熵合金的构型熵，ΔS_mix1.6R(R为气体常数)，中熵合金的构型熵为1.1RΔS_mix1.6R。高熵和中熵合金在组元数一般是大于等于5和3。高熵、中熵合金等多主元合金，因其表现出优异性能，而得到广泛研究。例如，FeCoCrNiMn系高熵合金在低温下具有很好的力学性能，AlCoCrCuFeNi系高熵合金可以获得较高的强度和耐腐蚀性，NbMoTaW系高熵合金具有优异的耐高温性能。尽管高熵、中熵合金已经得到普遍关注，但是能够获得工程化应用的合金的数量还较少，特别是能够实现高强度高塑性与低密度匹配的合金更少。目前采用多主元思路设计高强度低密度Fe-Mn-Al-C-M(M＝Ti,V,Cr,N,Si)中熵合金还没有见到报道。

发明内容