一种三维梯度结构多主元合金材料及其制备方法

本发明属于多主元合金材料制备，尤其涉及一种三维梯度结构多主元合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着工业化和科技的飞速发展，现代工程领域对材料兼备高强高韧的需求日益增长。这种需求的背后是对更轻量化、更高性能、更安全材料的迫切需求，以满足航空航天、汽车制造、能源设备、电子技术等领域的发展性挑战。多主元合金材料通过合理设计不同成分含量，展现出可同时提供高强度和高韧性的巨大潜力，因此备受工程领域的青睐。

2、梯度结构设计，基于显著不同特征组织成分区域间的协同变形被广泛用来改善材料的强塑性匹配能力。但传统的制备成型技术如铸造、轧制、挤压等往往受到材料成分和工艺限制，难以实现多主元合金的微观组织的精确控制，尤其是制备多尺度微观组织结构材料。此外，传统制备过程中存在着能耗大、生产周期长等问题，导致制备成本高、效率低。粉末冶金是制备多尺度异质结构材料的常用方法，但球磨过程中需要加入难以去除干净的助磨剂、不可避免地引入球磨杂质，降低材料成分纯度，最终限制材料性能的进一步提高。

技术实现思路

1、基于上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提出一种三维梯度结构多主元合金材料及其制备方法，通过气流磨精确控制合金的微观结构、晶界特性及强化相的空间分布，结合快速烧结工艺实现高性能多主元合金材料性能的制备。所制备的多主元合金材料兼具高强度和高韧性，不仅可满足现代工程领域对材料性能的高要求，还可以为其他高性能材料的工业生产提供新的技术方案。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、一种三维梯度结构多主元合金材料，由纳米级tib2增强相、纳米级tic增强相和vconialti合金构成，所述vconialti合金的表层晶粒为亚微米级，芯部晶粒为微米级，所述纳米级tib2增强相、纳米级tic增强相周期性包裹所述vconialti合金。

4、一种三维梯度结构多主元合金材料的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤s1：将多主元合金粉末与强化相粉末进行混合处理，得到混合粉末；

6、所述多主元合金粉末成分为(vconi)100-x(alti)x，其中x为原子百分比，0<x≤10；v、co、ni各元素的原子含量为20～40％，所述强化相粉末包括tib2粉末和tic粉末；

7、步骤s2：对混合粉末进行气流磨处理，得到强化相粉末均匀包裹多主元合金粉末的球型粉末；

8、步骤s3：对球型粉末进行包套除气处理；

9、步骤s4：将包套放入热等静压炉内，进行热等静压烧结成型。

10、优选的，所述步骤s1的混合粉末中，tib2粉末的质量分数为0.5～2.5％，tic粉末的质量分数为0.5～2.5％，其余为多主元合金粉末。

11、优选的，多主元合金粉末采用气雾化法或旋转电极法制备，平均粒径为50～150μm，tib2粉末平均尺寸小于1μm，tic粉末平均尺寸小于1μm。

12、优选的，所述步骤s1的混合处理在气氛保护环境下进行，混料转速为30～60转/分钟，混料时间为1～2小时。

13、优选的，所述步骤s2的气流磨处理中，采用氧含量低于5ppm的氩气作为冲击气流源，气流压力为1.0～1.5mpa，喂料速度为0.12～0.25g/s，气流磨循环次数为5～20次。

14、优选的，所述步骤s2的气流磨处理在有气氛保护的手套箱中进行。

15、优选的，所述步骤s3具体包括：得到的球型粉末装入包套进行除气处理，除气温度为400～500℃，当包套内真空度优于5×10-3pa后，对包套进行封焊密封处理。

16、优选的，所述步骤s4的热等静压烧结中，以10～50℃/分钟的升温速率加热至900～1100℃，烧结压力为200mpa，烧结时间为2～4小时。

17、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

18、(1)本发明提出的一种三维梯度结构多主元合金材料的制备过程中，无粉末氧化，无杂质引入，区别于传统球磨工艺，后期无需去除助磨剂。

19、(2)本发明提出的一种三维梯度结构多主元合金材料的制备方法，工艺流程简单，无需进行后续热处理，适合大批量生产。

20、(3)本发明制备的三维梯度结构多主元合金材料由纳米级tib2、tic增强相周期性包裹着表层亚微米级、芯部微米级晶粒的vconialti合金，其微观组织可精确调控，屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率等力学性能优异。

技术特征：

1.一种三维梯度结构多主元合金材料，其特征在于，由纳米级tib2增强相、纳米级tic增强相和vconialti合金构成，所述vconialti合金的表层晶粒为亚微米级，芯部晶粒为微米级，所述纳米级tib2增强相、纳米级tic增强相周期性包裹所述vconialti合金。

2.一种三维梯度结构多主元合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1的混合粉末中，tib2粉末的质量分数为0.5～2.5％，tic粉末的质量分数为0.5～2.5％，其余为多主元合金粉末。

4.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，多主元合金粉末采用气雾化法或旋转电极法制备，平均粒径为50～150μm，tib2粉末平均尺寸小于1μm，tic粉末平均尺寸小于1μm。

5.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1的混合处理在气氛保护环境下进行，混料转速为30～60转/分钟，混料时间为1～2小时。

6.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2的气流磨处理中，采用氧含量低于5ppm的氩气作为冲击气流源，气流压力为1.0～1.5mpa，喂料速度为0.12～0.25g/s，气流磨循环次数为5～20次。

7.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2的气流磨处理在有气氛保护的手套箱中进行。

8.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：得到的球型粉末装入包套进行除气处理，除气温度为400～500℃，当包套内真空度优于5×10-3pa后，对包套进行封焊密封处理。

9.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s4的热等静压烧结中，以10～50℃/分钟的升温速率加热至900～1100℃，烧结压力为200mpa，烧结时间为2～4小时。

技术总结
本发明属于多主元合金材料制备技术领域，尤其涉及一种三维梯度结构多主元合金材料及其制备方法。该制备方法通过气流磨精确控制合金的微观结构、晶界特性及强化相的空间分布，结合快速烧结工艺实现高性能多主元合金材料性能的制备。所制备的多主元合金材料兼具高强度和高韧性，不仅可满足现代工程领域对材料性能的高要求，还可以为其他高性能材料的工业生产提供新的技术方案。

技术研发人员：李国栋,郑瑞晓,王帅,苏子豪,鲁园园,马朝利
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25