一种高温耐磨高熵合金及其制备方法和应用

1.本发明涉及高熵合金技术领域，尤其涉及一种高温耐磨高熵合金及其制备方法和应用。


背景技术：

2.机械摩擦磨损是导致运动部件失效的主要形式之一，而耐磨性是衡量材料服役寿命的重要指标。随着科学技术的迅猛发展，相关运动部件的服役工况越发苛刻，如高温、高速和高负载，这对耐磨材料提出了新的要求。以航空发动机为例，燃烧室温度提高对航空发动机推重比增大具有决定性作用，但这使相关运动部件承受着高温工况下更为剧烈的摩擦磨损，导致传统的高温耐磨材料难以满足服役要求。高熵合金的出现为新型耐磨材料的设计带来了曙光，高熵合金是一种多主元合金，这突破了传统合金以一种元素为主，多种微量元素为辅的设计理念，为材料的发展提供了全新的思路。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上迟滞扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应，这使其人容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，这些独特的结构赋予其优异的力学性能、耐磨性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等。随着对高性能耐磨材料需求的急剧增加，高熵合金以其优异的相结构和耐磨性而备受关注。
3.目前的研究表明，虽然高熵合金的高温耐磨性优于模具钢、轴承钢和镍基高温合金等传统耐磨材料，但却难以与stellite-6和stellite-6b等钴基高温耐磨合金相比，这极大的限制了高熵合金在航空喷气发动机、工业燃气轮机和舰船燃气轮机等尖端科技领域的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高温耐磨高熵合金及其制备方法和应用，所述高温耐磨高熵合金在400～900℃的耐磨性能优于stellite-6合金的同时，还进一步降低了战略资源钴的消耗量。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种高温耐磨高熵合金，按照原子百分比计，包括以下元素：al 2～6％，co 28～33％，cr 16～22％，ni 25～35％，ti 5～15％和mo 1～10％。
7.优选的，按照原子百分比计，包括以下元素：al 3～5％，co 28～32％，cr 16～21％，ni 28～34％，ti 5～12％和mo 2～9％。
8.优选的，按照原子百分比计，包括以下元素：al 3.5～4.5％，co 28～30％，cr 17～20％，ni 28～31％，ti 7～10％和mo 5～9％。
9.优选的，所述高温耐磨高熵合金在400～900℃的摩擦系数为0.28～0.57，磨损率为(0.062～6.33)
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
之间
10.本发明还提供了上述技术方案所述的高温耐磨高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
11.按照所述高温耐磨高熵合金的元素组成，将al、co、cr、ni、ti和mo混合后，在氩气气氛中，进行电弧熔炼，得到所述高温耐磨高熵合金。
12.优选的，所述混合为按照al、co、cr、ni、ti和mo的顺序依次进行添加。
13.优选的，所述al、co、cr、ni、ti和mo的纯度均大于99.9wt％.
14.优选的，所述氩气气氛的压力为0.02～0.08mpa。
15.优选的，所述电弧熔炼在电磁搅拌的条件下进行，所述电弧熔炼的次数为8～12次；
16.每次电弧熔炼的熔炼电流独立的为260～320a，每次电弧熔炼的时间独立的为2.5～4.5min。
17.本发明还提供了上述技术方案所述的高温耐磨高熵合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高温耐磨高熵合金在航空喷气发动机、工业燃气轮机或舰船燃气轮机领域中的应用。
18.本发明提供了一种高温耐磨高熵合金，按照原子百分比计，包括以下元素：al 2～6％，co 28～33％，cr 16～22％，ni 25～35％，ti 5～15％和mo 1～10％。本发明所述的al-co-cr-ni-ti-mo高温耐磨高熵合金在400～900℃的高温耐磨性能较传统高温耐磨材料stellite-6合金大幅度提高。本发明通过在高熵合金中引入mo元素，并调控mo的含量，借助具有较大原子半径mo元素引发的固溶强化效应、晶格畸变效应和第二相强化效应赋予高熵合金较高的强度和硬度，并且，mo的氧化物moo3具有良好的高温自润滑效应，能显著改善高熵合金在高温条件下的摩擦学性能；
19.本发明还提供了上述技术方案所述的高温耐磨高熵合金的制备方法，包括以下步骤：按照所述高温耐磨高熵合金的元素组成，将al、co、cr、ni、ti和mo混合后，在氩气气氛中，进行电弧熔炼，得到所述高温耐磨高熵合金。本发明所提供的制备方法可以直接通过电弧熔炼技术制备得到成分均匀的al-co-cr-ni-ti-mo高温耐磨高熵合金，操作方便，工艺简单。并且该技术对co的消耗量降低了50％以上，性价比高，工业化潜质大。
附图说明
20.图1为实施例1所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金的xrd图；
21.图2为实施例2所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金的xrd图。
具体实施方式
22.本发明提供了一种高温耐磨高熵合金，按照原子百分比计，包括以下元素：al 2～6％，co 28～33％，cr 16～22％，ni 25～35％，ti 5～15％和mo 1～10％。
23.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括al 2～6％，优选为3～5％，更优选为3.5～4.5％。
24.在本发明中，所述al的作用是借助其较大的原子半径引发晶格畸变，同时al的氧化物al2o3有助于改善高温抗氧化性能和耐磨性。
25.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括co 28～33％，优选为28～32％，更优选为28～30％。
26.在本发明中，所述co的作用是促进形成稳定的fcc相，使高熵合金保持较高的塑性
和韧性，同时提高合金的高温力学性能。
27.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括cr 16～22％，优选为16～21％，更优选为17～20％。
28.在本发明中，所述cr的作用是通过与mo形成σ相提高合金的强度和耐磨性，同时其氧化物cr2o3有助于改善抗氧化性能，并在高温摩擦过程中具有良好的高温润滑作用。
29.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括ni 25～35％，优选为28～34％，更优选为28～31％。
30.在本发明中，所述ni的作用是良好的fcc相稳定剂，有助于使高熵合金具有较高的塑性和韧性。
31.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括ti 5～15％，优选为5～12％，更优选为7～10％。
32.在本发明中，所述ti的作用是在高温摩擦过程中通过形成tio2改善高熵合金的高温耐磨性。
33.按照原子百分比计，本发明所述高温耐磨高熵合金包括mo 1～10％，优选为2～9％，更优选为5～9％。
34.在本发明中，所述mo的作用是借助其较大的原子半径，引发晶格畸变，增强高熵合金的强度、硬度和耐磨性；同时mo通过与cr形成σ相提高合金的高温力学性能；此外，在摩擦过程中mo的氧化产物moo3具有良好的高温自润滑效应，有助于改善合金的高温耐磨性。
35.本发明还提供上述技术方案所述的高温耐磨高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
36.按照所述高温耐磨高熵合金的元素组成，将al、co、cr、ni、ti和mo混合后，在氩气气氛中，进行电弧熔炼，得到所述高温耐磨高熵合金。
37.在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
38.在本发明中，所述al、co、cr、ni、ti和mo的纯度均优选≥99.9％，更优选≥99.95％；所述al、co、cr、ni、ti和mo均优选为颗粒或粉末，更优选为φ8
×
10mm的柱状颗粒或φ3
×
4mm的柱状颗粒。
39.在本发明中，所述混合优选为按照al、co、cr、ni、ti和mo的顺序依次进行添加。
40.进行熔炼前，本发明优选将电弧熔炼炉炉膛的真空度抽至10-3
pa以下，之后充入纯度≥99.999％的高纯氩气使炉膛的气压保持在0.02～0.08mpa；进一步优选为将电弧熔炼炉炉膛的真空度抽至5
×
10-4
pa以下，之后充入纯度≥99.999％的高纯氩气使炉膛的气压保持在0.06～0.07mpa。
41.在本发明中，所述电弧熔炼优选在电磁搅拌的条件下进行，所述电弧熔炼的次数优选为8～12次，更优选为9～10次；每次电弧熔炼的熔炼电流独立的优选为260～320a，更优选为280～310a；每次电弧熔炼的时间独立的优选为2.5～4.5min，更优选为3.5～4min。
42.在本发明中，所述制备方法具体为：按照al、co、cr、ni、ti和mo的顺序将原材料依次添加至水冷铜坩埚中，将电弧熔炼炉炉膛的真空度抽至10-3
pa以下，之后充入纯度≥99.999％的高纯氩气使炉膛的气压保持在0.02～0.08mpa，进行重复电弧熔炼。
43.本发明还提供了上述技术方案所述的高温耐磨高熵合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高温耐磨高熵合金在航空喷气发动机、工业燃气轮机或舰船燃气轮机领
域中的应用。本发明对所述应用的方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。
44.下面结合实施例对本发明提供的高温耐磨高熵合金及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
45.实施例1
46.高温耐磨高熵合金的元素按原子百分比组成：al 4％，co 31％，cr 20％，ni 31％，ti 10％和mo 4％；
47.制备过程：
48.使用电子分析天平分别称取纯度为99.95wt％，尺寸为φ3
×
5mm的al、co、cr、ni、ti和mo的金属单质颗粒，并精确到小数点后四位；
49.按照al
→
co
→
cr
→
ni
→
ti
→
mo的顺序，依次将1.9079g的al、32.2970g的co、18.3829g的cr、32.1655g的ni、8.4613g的ti和6.7853g的mo置于水冷铜坩埚内，将电弧熔炼炉炉膛的真空度抽到5
×
10-4
pa，之后充入纯度≥99.999％的高纯氩气使炉膛的气压保持在0.06mpa，使用290a的电流进行电弧熔炼10次，每次熔炼时间为4min，并辅以电磁搅拌技术以确保合金成分均匀，得到所述高温耐磨高熵合金(al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金)；
50.图1为所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金的xrd图，由图1可知，所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金是由fcc无序固溶体、σ相和b2相构成；
51.所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的摩擦系数如表1所示：
52.表1所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的摩擦系数
[0053][0054]
表1可知，在400℃、600℃、800℃和900℃时，al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金的摩擦系数较stellite-6合金明显减小，具有更好的摩擦学性能；
[0055]
所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的磨损率如表2所示：
[0056]
表2所述al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的磨损率
[0057][0058][0059]
由表2可知，在400℃、600℃、800℃和900℃时，al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高温耐磨高熵合金的磨损率分别为5.31
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
、2.86
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
、0.12
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
和1.32
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
，其耐磨性较stellite-6合金提高了18.81％、42.22％、94.44％和36.23％。这说明该al4co
31
cr
20
ni
31
ti
10
mo4高熵合金耐磨材料在400～900℃的耐磨性优于stellite-6合金，并且高熵合金耐磨材料中战略性资源钴的含量远小于stellite-6合金，这使的该高熵合金具有更高的性价比。
[0060]
实施例2
[0061]
高温耐磨高熵合金的元素原子百分比组成：al 3％，co 30％，cr 19％，ni 30％，ti 8％和mo 10％；
[0062]
制备过程：
[0063]
使用电子分析天平分别称取纯度为99.95wt％，尺寸为φ3
×
5mm的al、co、cr、ni、ti和mo的金属单质颗粒，并精确到小数点后四位；
[0064]
按照al
→
co
→
cr
→
ni
→
ti
→
mo的顺序，依次将1.3627g的al、29.7640g的co、16.6306g的cr、29.6428g的ni、6.4461g的ti和16.1539g的mo置于水冷铜坩埚内，将电弧熔炼炉炉膛的真空度抽到5
×
10-4
pa，之后充入纯度≥99.999％的高纯氩气使炉膛的气压保持在0.06mpa，使用310a进行电弧熔炼10次，每次熔炼时间为4min，并辅以电磁搅拌技术以确保合金成分均匀，得到所述高温耐磨高熵合金(al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金)；
[0065]
图2为所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金的xrd图，由图1可知，所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金是由fcc无序固溶体、σ相和b2相构成；
[0066]
所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的摩擦系数如表3所示：
[0067]
表3所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的摩擦系数
[0068][0069][0070]
表3可知，在400℃、600℃、800℃和900℃时，al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金的摩擦系数在0.28～0.57之间，而stellite-6合金的摩擦系数在0.37～0.75之间，al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金展现出更好的高温摩擦学性能；
[0071]
所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的磨损率如表4所示：
[0072]
表4所述al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金和stellite-6合金在400～900℃时的磨损率
[0073][0074]
由表4可知，在400℃、600℃、800℃和900℃时，al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高温耐磨高熵合金的磨损率分别为6.33
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
、3.85
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
、0.062
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
和0.17
×
10-5
mm3·
n-1
·
m-1
，其耐磨性分别是stellite-6合金的1.03倍、1.28倍、34.84倍和12.18倍。这说明该al3co
30
cr
19
ni
30
ti8mo
10
高熵合金耐磨材料在400～900℃的耐磨性优于stellite-6合金，非常适合解决运动部件在高温工况中的高温磨损问题，并且
高熵合金耐磨材料中战略性资源钴的含量远小于stellite-6合金，这使的该高熵合金具有更高的性价比。
[0075]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。