一種多主元高熵合金及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多主元高熵合金及制備方法，屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，主要是利用高熵合金優(yōu)良的綜合性能，解決現(xiàn)有金屬在強(qiáng)度、硬度、致密性、耐蝕性等性能不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)以V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn等元素按照等摩爾比或近似等摩爾比進(jìn)行配置，通過(guò)真空燒結(jié)制得VZrHfTiCrZrMn合金，合金具有高強(qiáng)、高硬度等特性，同時(shí)綜合性能優(yōu)，可用于特種合金、模具制造、專用工具等，本發(fā)明思路清晰，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，制得合金產(chǎn)品具有一定的市場(chǎng)前景。
【專利說(shuō)明】
一種多主元高熵合金及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多主元高熵合金及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高熵合金的主要組成元素至少5種以上，其中總有一些元素，如鋁，會(huì)使合金產(chǎn)生致密氧化物，而高熵合金通常都具有納米晶、非晶、單相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蝕性能比傳統(tǒng)合金更為優(yōu)秀。例如，在鋼鐵材料表面涂FeNiTiAlCoCrCu系高熵合金涂層后，耐腐蝕性能明顯提高。傳統(tǒng)合金已經(jīng)接近成熟及飽和狀態(tài)，傳統(tǒng)合金觀念已很難再創(chuàng)造新的合金系統(tǒng)或者說(shuō)在舊的合金系統(tǒng)中創(chuàng)出新的合金;但是，納米高熵合金觀念可產(chǎn)生許多合金系統(tǒng)，產(chǎn)生許多有趣的特性。所謂多元高熵合金就是多種元素的合金，其中每個(gè)主要元素皆具有高的原子百分比，有人定義高熵合金的主要元素?cái)?shù)目大于等于5，但其原子百分比都不超過(guò)35%。也就是說(shuō)，高熵合金不像傳統(tǒng)合金一樣，含有一個(gè)50%以上的主要元素。
[0003]等摩爾多主元合金既不屬于傳統(tǒng)的固溶體合金，也不屬于化合物合金，傳統(tǒng)合金的經(jīng)驗(yàn)容易使人誤認(rèn)為多個(gè)主元素合金將產(chǎn)生多種金屬間化合物，不但難以分析而且材質(zhì)變脆，缺乏應(yīng)用性。然而，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種經(jīng)驗(yàn)不適用于高熵合金，因?yàn)榻饘僭囟鄷r(shí)，高熵效應(yīng)反而會(huì)促進(jìn)元素間的混合，混合成體心立方結(jié)構(gòu)BBC或面心立方結(jié)構(gòu)FCC或非晶結(jié)構(gòu)，而不傾向形成脆性的金屬間化合物;高熵合金傾向于形成結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的體心立方或面心立方結(jié)構(gòu)固溶體，由于高熵合金的混合熵很高，使得合金的自由能極低，所以傾向于形成簡(jiǎn)單固溶體相，高熵合金在鑄態(tài)或是完全回火態(tài)下就會(huì)析出納米晶顆粒，這是因?yàn)楦哽睾辖鹪谌蹮挄r(shí)，各元素熔化后的原子混亂排列，凝固時(shí)有利于形成納米晶顆粒，高熵合金擁有極大的混亂度，特別是在高溫下，其混亂度將會(huì)變得更大;合金自由能越低，則合金系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定，故高熵合金在高溫下的穩(wěn)定性依然極高，固溶強(qiáng)化依然存在，因此合金擁有極高的高溫強(qiáng)度;研究表明，高熵合金在1000°c的高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(如12h)的熱處理后，硬度不降反升，與傳統(tǒng)合金形成了鮮明的對(duì)比，高熵合金以簡(jiǎn)單體心立方和面心立方結(jié)構(gòu)固溶體存在時(shí)，由于組成元素之間在原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異，高熵合金的固溶強(qiáng)化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)效，因此合金硬度和強(qiáng)度都較高，耐磨性也明顯提高。例如FeNiTiAlCoCrCu系高熵合金涂層呈現(xiàn)高硬度和高耐磨性;當(dāng)高熵合金以非晶結(jié)構(gòu)存在時(shí)，合金更具優(yōu)異性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了更好的解決上述存在的問(wèn)題，利用高熵合金的非晶、高混合熵、特殊的固溶體結(jié)構(gòu)，研究具備優(yōu)良性能的合金，本發(fā)明提供了一種多主元高熵合金及制備方法。
[0005]—種多主元高熵合金及制備方法’其中主要組成元素^^冗匕^打丄^冗^(guò)^^安照1:1:1:1:1:0.9-1.2:0.8-1.1的等摩爾比或近似等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟，具體制備步驟如下:
(I)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%; (2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在50-200攝氏度的潔凈烘箱中烘干5-8小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在100-350微米；
(3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，攪拌時(shí)間為0.5-5小時(shí)，然后加入0.2-0.8%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合1-3小時(shí)；
(4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在300-600兆帕，壓制時(shí)間1-2小時(shí)；
(5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到350-500攝氏度保溫1-2小時(shí)，溫度在650-800攝氏度保溫1.5-3小時(shí)，溫度在1250-1400攝氏度保溫1-3小時(shí)，最后將溫度控制在1650-1850攝氏度，燒結(jié)
0.5-2小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣；
(6)熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在820-850攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱
0.5-1小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在180-260攝氏度回火0.5-1小時(shí)。
[0006]本發(fā)明的有益之處在于:
(1)、本發(fā)明主要以多主元高熵合金的設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮其混合熵要明顯高于傳統(tǒng)金屬合金的高熵效應(yīng)，多元素的納米晶、非晶、單相、低自由焓的特性，使得VZrHfTiCrZrMn合金的耐腐蝕性能比傳統(tǒng)合金更為優(yōu)秀；
(2)、VZrHfTiCrZrMn合金以體心立方和面心立方結(jié)構(gòu)固溶體存在時(shí)，由于組成元素之間在原子半徑、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異，其固溶強(qiáng)化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)效，因此合金硬度和強(qiáng)度都較高，耐磨性也明顯提高；
(3)、金屬粉末在燒結(jié)前進(jìn)行預(yù)處理，增加蠟微粉保證能提升脫模品質(zhì)，在燒結(jié)時(shí)采取階梯加熱燒結(jié)，能夠獲得更加致密的組織。
【具體實(shí)施方式】
[0007]實(shí)施例1
一種多主元高熵合金及制備方法，其中主要組成元素V、Zr、Hf、T1、Cr、Zr、Mn按照等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟，具體制備步驟如下:
(1)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%;
(2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在50攝氏度的潔凈烘箱中烘干5小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在100微米；
(3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，攪拌時(shí)間為0.5小時(shí)，然后加入0.2%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合I小時(shí)；
(4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在300兆帕，壓制時(shí)間I小時(shí)；
(5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到350攝氏度保溫I小時(shí)，溫度在650攝氏度保溫1.5小時(shí)，溫度在1250攝氏度保溫I小時(shí)，最后將溫度控制在1650攝氏度，燒結(jié)0.5小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣； (6 )熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在820攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱0.5小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在180攝氏度回火0.5小時(shí)。
[0008]實(shí)施例2
一種多主元高熵合金及制備方法，其中主要組成元素V、Zr、Hf、T1、Cr、Zr、Mr^^Hf、l:1:1:1:1:0.9:0.8的近等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟，具體制備步驟如下:
(1)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%;
(2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在80攝氏度的潔凈烘箱中烘干5小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在350微米；
(3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，攪拌時(shí)間為0.5小時(shí)，然后加入0.8%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合3小時(shí)；
(4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在600兆帕，壓制時(shí)間2小時(shí)；
(5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到500攝氏度保溫2小時(shí)，溫度在800攝氏度保溫1.5小時(shí)，溫度在1250攝氏度保溫3小時(shí)，最后將溫度控制在1650攝氏度，燒結(jié)0.5小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣；
(6)熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在850攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱I小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在260攝氏度回火I小時(shí)。
[0009]實(shí)施例3
一種多主元高熵合金及制備方法，其中主要組成元素V、Zr、Hf、T1、Cr、Zr、Mr^^Hf、l:1:1:1:1:1.2:1.1的近等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟，具體制備步驟如下:
(1)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%;
(2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在90攝氏度的潔凈烘箱中烘干5小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在100微米；
(3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，攪拌時(shí)間為0.5小時(shí)，然后加入0.6%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合2小時(shí)；
(4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在400兆帕，壓制時(shí)間I小時(shí)；
(5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到350攝氏度保溫I小時(shí)，溫度在650攝氏度保溫1.5小時(shí)，溫度在1250攝氏度保溫I小時(shí)，最后將溫度控制在1650攝氏度，燒結(jié)0.5小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣；
(6 )熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在820攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱0.5小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在180攝氏度回火0.5小時(shí)。
[0010]實(shí)施例4 一種多主元高熵合金及制備方法，其中主要組成元素V、Zr、Hf、T1、Cr、Zr、Mr^^Hf、l:1:1:1:1:1:0.9的近等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟，具體制備步驟如下:
(1)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%;
(2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在70攝氏度的潔凈烘箱中烘干5-8小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在260微米；
(3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌希瑪嚢钑r(shí)間為0.5小時(shí)，然后加入0.7%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合2小時(shí)；
(4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在600兆帕，壓制時(shí)間2小時(shí)；
(5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到450攝氏度保溫1.5小時(shí)，溫度在750攝氏度保溫1.5小時(shí)，溫度在1300攝氏度保溫2小時(shí)，最后將溫度控制在1750攝氏度，燒結(jié)0.5小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣；
(6)熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在850攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱I小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在180攝氏度回火I小時(shí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多主元高熵合金及制備方法，其特征在于，其中主要組成元素￥、2^!^、1^、&、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:0.9-1.2:0.8-1.1的等摩爾比或近等摩爾比進(jìn)行配置，制備包括原料準(zhǔn)備、前處理、粉料混合、初步成型、高溫?zé)Y(jié)成型，熱處理等工藝步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多主元高熵合金及制備方法，其特征在于，具體制備步驟如下: (1)原料準(zhǔn)備:根據(jù)VZrHfTiCr ZrMn合金材料的性能要求，設(shè)計(jì)各組分摩爾比例，換算成質(zhì)量比后稱取適量的各組分材料，其中各元素的純度大于99.8%; (2)前處理:根據(jù)各組分的物理性質(zhì)，將上述粉末分別在50-200攝氏度的潔凈烘箱中烘干5-8小時(shí)，同時(shí)通過(guò)研磨、球磨方法，將材料制成粉狀后過(guò)篩，粒徑控制在100-350微米； (3)粉料混合:將上述烘干過(guò)的粉末逐一加入粉料混合機(jī)，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌希瑪嚢钑r(shí)間為0.5-5小時(shí)，然后加入0.2-0.8%的蠟微粉，繼續(xù)進(jìn)行攪拌混合1-3小時(shí)； (4)初步成型:將混合均勻的粉末倒入預(yù)壓模具，然后在10噸成型機(jī)進(jìn)行壓制，壓力控制在300-600兆帕，壓制時(shí)間1-2小時(shí)； (5)高溫?zé)Y(jié)成型:將預(yù)成型的壓制品從模具取出，將其置入帶氣體保護(hù)氛圍的真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度達(dá)到350-500攝氏度保溫1-2小時(shí)，溫度在650-800攝氏度保溫1.5-3小時(shí)，溫度在1250-1400攝氏度保溫1-3小時(shí)，最后將溫度控制在1650-1850攝氏度，燒結(jié).0.5-2小時(shí)，其中保護(hù)氣體為氬氣； (6)熱處理:將燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，在820-850攝氏度，在保護(hù)氣體氛圍中加熱.0.5-1小時(shí)，進(jìn)行淬火，然后在180-260攝氏度回火0.5-1小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK105950943SQ201610468949
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月25日
【發(fā)明人】王眈眈
【申請(qǐng)人】蕪湖三刀材料科技有限公司