一种难熔高熵合金粉末的制备方法与流程

本发明涉及一种难熔高熵合金粉末的制备方法，属于合金粉末制备技术领域。

背景技术：

高熵合金是近些年来发展起来的一类新型多主元合金，由于具有良好的力学性能、抗氧化性能、抗磨损性能、耐腐蚀性能和高温热稳定性而成为一种极具发展潜力的新型合金。由难熔金属组成的高熵合金称为难熔高熵合金，难熔高熵合金兼具了难熔合金和高熵合金的优点，尤其是在高温下仍然具有高硬度、高强度和良好的相稳定性。经济的制备出高熵合金粉末是实现高熵合金在粉末冶金和热喷涂等领域实现工程应用的前提。目前公开报道的高熵合金粉末的化学组成元素主要以第四周期过渡族金属为主，如铁、钴、镍、铬、锰和铜等，此类高熵合金粉末的制备工艺以雾化法为主。由于难熔高熵合金各化学元素熔点极高，用雾化法极难实现其粉末的制备。但对于以难熔金属元素组成的难熔高熵合金，其粉末目前没有以雾化法为制备工艺的报道。机械合金化是难熔高熵合金粉末的另一种常见制备工艺，但该方法制备周期较长，一般会超过50小时，因此效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种难熔高熵合金粉末的制备方法。该方法采用球磨混合工艺和放电等离子烧结法获得，具有快速、高效率和经济的特点。

一种难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1）将难熔金属元素粉末在高能球磨机中进行球磨混合；

2）将步骤1）所得混合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结方法在惰性保护气氛中进行无压烧结，得到低强度的难熔高熵合金多孔块体材料；

3）将步骤2）所述难熔高熵合金多孔块体材料在惰性保护气氛中进行机械破碎，并按不同粒径进行筛分获得难熔高熵合金粉末。

所述难熔金属元素为等摩尔比或近等摩尔比的钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锆(zr)、铌（nb）、钼（mo）、钽(ta)和钨（w）中的4种或4种以上元素。

所述钛粉、钒粉、铬粉和锆粉的粒度均小于0.076mm，铌粉、钼粉、钽粉和钨粉的粒度均小于0.010mm；所有金属粉末纯度大于99.5%。

所述球磨的条件为：球磨时间0.5～3小时，球料比为3:1～8:1。

所述放电等离子烧结的工艺特征为：用于放置粉末的石墨模腔承受压力，合金粉末不承受压力。

所述放电等离子烧结的工艺特征为：真空度小于10pa，烧结温度为1400℃～1750℃，保温时间为5min～15min，直流脉冲比12:2～12:10。

本发明的原理：放电等离子烧结工艺是利用通-断式直流脉冲电流在粉末之间产生的高能量等离子体在较低的温度下快速合金化的一种新方法，放电等离子烧结工艺中粉末之间在微观尺度上产生的等离子态可实现固相之间的快速扩散过程。本发明采用球磨混合和放电等离子烧结技术，通过在较低的温度下进行固相扩散反应，实现高熔点难熔金属之间的合金化过程，再经过简单的破碎和筛分可获得所需粒度的难熔高熵合金粉末。

本发明的有益效果是：本发明通过球磨混合和放电等离子烧结工艺，避免了将合金组元加热熔化成液态的工序，实现了较低温度下难熔高熵合金粉末的制备；而且避免了机械合金化工艺时间较长、效率低的劣势。因此本发明所述的难熔高熵合金粉末制备工艺具有高效和低成本特性。

附图说明

图1为实施例1所述四元难熔金属高熵合金粉末的扫描电镜二次电子像。

图2为实施例1所述四元难熔金属高熵合金粉末的x射线衍射图谱。

具体实施方式

实施例1

一种难熔高熵合金粉末由铌、钼、钽和钨四种高熔点难熔金属组成，其各组分原子百分比均为25%，材料表示为nb25mo25ta25w25。该合金粉末制备步骤如下：

（1）按原子百分比称取铌、钼、钽和钨四种难熔金属粉末，四种粉末粒度均小于0.010mm，纯度均大于99.5%。

（2）将配比好的粉末在高能球磨机中进行球磨混合，混合时间1小时。球料比为4:1。

（3）将混合粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结炉中进行无压烧结。保护气氛为氩气，烧结工艺参数为：真空度5pa，烧结温度为1680℃，保温时间为10min，直流脉冲比为12:2。

（4）再次用球磨机进行破碎，保护气氛为氮气。并用200目标准筛过筛，获得-200目nb20mo20ta20w20难熔高熵合金粉末。

合金粉末形貌如图1所示。合金粉末物相为单一bcc相，如图2所示。

实施例2

一种难熔高熵合金粉末由钛、铌、钼、钽和钨五种高熔点难熔金属组成，其各组分原子百分比均为20%，材料表示为ti20nb20mo20ta20w20。该合金粉末制备步骤如下：

（1）按原子百分比称取钛、铌、钼、钽和钨五种难熔金属粉末，铌、钼、钽和钨等四种粉末粒度均小于0.010mm，钛粉粒度小于为0.076mm，所有金属粉末纯度均大于99.5%。

（2）将配比好的粉末在高能球磨机中进行球磨混合，混合时间2小时。球料比为4:1。

（3）将混合粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结炉中进行无压烧结。保护气氛为氩气，烧结工艺参数为：真空度5pa，烧结温度为1560℃，保温时间为10min，直流脉冲比为12:6。

（4）再次用球磨机进行破碎，保护气氛为氮气。并用200目标准筛过筛，获得物相为单一bcc相的-200目nb20mo20ta20ti20w20难熔高熵合金粉末。

实施例3

一种难熔高熵合金粉末由铬、钛、铌、钼、钽和钨六种高熔点难熔金属组成，其各组分原子百分比均为16.7%，材料表示为ti16.7nb16.7mo16.7ta16.7w16.7。该合金粉末制备步骤如下：

（1）按原子百分比称取铬、钛、铌、钼、钽和钨五种难熔金属粉末，铌、钼、钽和钨等四种粉末粒度均小于0.010mm，铬粉和钛粉粒度小于为0.076mm，所有金属粉末纯度均大于99.5%。

（2）将配比好的粉末在高能球磨机中进行球磨混合，混合时间2.5小时。球料比为5:1。

（3）将混合粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结炉中进行无压烧结。保护气氛为氩气，烧结工艺参数为：真空度5pa，烧结温度为1520℃，保温时间为12min，直流脉冲比为12:3。

（4）再次用球磨机进行破碎，保护气氛为氮气。并用200目标准筛过筛，获得物相为单一bcc相的-200目ti16.7nb16.7mo16.7ta16.7w16.7难熔高熵合金粉末。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种难熔高熵合金粉末的制备方法，该合金以钛、钒、铬、锆、铌、钼、钽和钨等8种元素中4种或4种以上元素以等摩尔比或近等摩尔比组成。本发明采用球磨混合和放电等离子烧结技术，通过在较低的温度下进行固相扩散反应，实现高熔点难熔金属之间的合金化过程，避免了将合金组元加热熔化成液态的工序，实现了较低温度下难熔高熵合金粉末的制备；同时避免了机械合金化工艺时间较长、效率低的劣势。本发明所述的难熔高熵合金粉末制备工艺具有高效和低成本特性。

技术研发人员：韩杰胜;孟军虎;张爱军;苏博
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：2018.06.29
技术公布日：2018.11.27