CN105950943A - 一种多主元高熵合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多主元高熵合金及制备方法，属于合金材料技术领域，主要是利用高熵合金优良的综合性能，解决现有金属在强度、硬度、致密性、耐蚀性等性能不足的问题，设计以V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn等元素按照等摩尔比或近似等摩尔比进行配置，通过真空烧结制得VZrHfTiCrZrMn合金，合金具有高强、高硬度等特性，同时综合性能优，可用于特种合金、模具制造、专用工具等，本发明思路清晰，操作简单，实用性强，制得合金产品具有一定的市场前景。

Description

一种多主元高熵合金及制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，具体涉及一种多主元高熵合金及制备方法。

背景技术

高熵合金的主要组成元素至少5种以上，其中总有一些元素，如铝，会使合金产生致密氧化物，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。例如，在钢铁材料表面涂FeNiTiAlCoCrCu系高熵合金涂层后，耐腐蚀性能明显提高。传统合金已经接近成熟及饱和状态，传统合金观念已很难再创造新的合金系统或者说在旧的合金系统中创出新的合金；但是，纳米高熵合金观念可产生许多合金系统，产生许多有趣的特性。所谓多元高熵合金就是多种元素的合金，其中每个主要元素皆具有高的原子百分比，有人定义高熵合金的主要元素数目大于等于5，但其原子百分比都不超过35%。也就是说，高熵合金不像传统合金一样，含有一个50%以上的主要元素。

等摩尔多主元合金既不属于传统的固溶体合金，也不属于化合物合金,传统合金的经验容易使人误认为多个主元素合金将产生多种金属间化合物，不但难以分析而且材质变脆，缺乏应用性。然而，通过研究发现，这种经验不适用于高熵合金，因为金属元素多时，高熵效应反而会促进元素间的混合，混合成体心立方结构BBC或面心立方结构FCC或非晶结构，而不倾向形成脆性的金属间化合物；高熵合金倾向于形成结构较简单的体心立方或面心立方结构固溶体，由于高熵合金的混合熵很高，使得合金的自由能极低，所以倾向于形成简单固溶体相，高熵合金在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒，这是因为高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时有利于形成纳米晶颗粒，高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大；合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定，故高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度；研究表明，高熵合金在1000℃的高温下进行长时间（如12h）的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，高熵合金以简单体心立方和面心立方结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化会产生强效，因此合金硬度和强度都较高，耐磨性也明显提高。例如FeNiTiAlCoCrCu系高熵合金涂层呈现高硬度和高耐磨性；当高熵合金以非晶结构存在时，合金更具优异性能。

发明内容

为了更好的解决上述存在的问题，利用高熵合金的非晶、高混合熵、特殊的固溶体结构，研究具备优良性能的合金，本发明提供了一种多主元高熵合金及制备方法。

一种多主元高熵合金及制备方法，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:0.9-1.2:0.8-1.1的等摩尔比或近似等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在50-200摄氏度的洁净烘箱中烘干5-8小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在100-350微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5-5小时，然后加入0.2-0.8%的蜡微粉，继续进行搅拌混合1-3小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在300-600兆帕，压制时间1-2小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到350-500摄氏度保温1-2小时，温度在650-800摄氏度保温1.5-3小时，温度在1250-1400摄氏度保温1-3小时，最后将温度控制在1650-1850摄氏度，烧结0.5-2小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在820-850摄氏度，在保护气体氛围中加热0.5-1小时，进行淬火，然后在180-260摄氏度回火0.5-1小时。

本发明的有益之处在于：

（1）、本发明主要以多主元高熵合金的设计理念，充分发挥其混合熵要明显高于传统金属合金的高熵效应，多元素的纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，使得VZrHfTiCrZrMn合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀；

（2）、VZrHfTiCrZrMn合金以体心立方和面心立方结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，其固溶强化会产生强效，因此合金硬度和强度都较高，耐磨性也明显提高；

（3）、金属粉末在烧结前进行预处理，增加蜡微粉保证能提升脱模品质，在烧结时采取阶梯加热烧结，能够获得更加致密的组织。

具体实施方式

实施例1

一种多主元高熵合金及制备方法，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在50摄氏度的洁净烘箱中烘干5小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在100微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5小时，然后加入0.2%的蜡微粉，继续进行搅拌混合1小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在300兆帕，压制时间1小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到350摄氏度保温1小时，温度在650摄氏度保温1.5小时，温度在1250摄氏度保温1小时，最后将温度控制在1650摄氏度，烧结0.5小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在820摄氏度，在保护气体氛围中加热0.5小时，进行淬火，然后在180摄氏度回火0.5小时。

实施例2

一种多主元高熵合金及制备方法，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:0.9:0.8的近等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在80摄氏度的洁净烘箱中烘干5小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在350微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5小时，然后加入0.8%的蜡微粉，继续进行搅拌混合3小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在600兆帕，压制时间2小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到500摄氏度保温2小时，温度在800摄氏度保温1.5小时，温度在1250摄氏度保温3小时，最后将温度控制在1650摄氏度，烧结0.5小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在850摄氏度，在保护气体氛围中加热1小时，进行淬火，然后在260摄氏度回火1小时。

实施例3

一种多主元高熵合金及制备方法，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:1.2:1.1的近等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在90摄氏度的洁净烘箱中烘干5小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在100微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5小时，然后加入0.6%的蜡微粉，继续进行搅拌混合2小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在400兆帕，压制时间1小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到350摄氏度保温1小时，温度在650摄氏度保温1.5小时，温度在1250摄氏度保温1小时，最后将温度控制在1650摄氏度，烧结0.5小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在820摄氏度，在保护气体氛围中加热0.5小时，进行淬火，然后在180摄氏度回火0.5小时。

实施例4

一种多主元高熵合金及制备方法，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:1:0.9的近等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在70摄氏度的洁净烘箱中烘干5-8小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在260微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5小时，然后加入0.7%的蜡微粉，继续进行搅拌混合2小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在600兆帕，压制时间2小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到450摄氏度保温1.5小时，温度在750摄氏度保温1.5小时，温度在1300摄氏度保温2小时，最后将温度控制在1750摄氏度，烧结0.5小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在850摄氏度，在保护气体氛围中加热1小时，进行淬火，然后在180摄氏度回火1小时。

Claims (2)

1.一种多主元高熵合金及制备方法，其特征在于，其中主要组成元素V、Zr、Hf、Ti、Cr、Zr、Mn按照1:1:1:1:1:0.9-1.2:0.8-1.1的等摩尔比或近等摩尔比进行配置，制备包括原料准备、前处理、粉料混合、初步成型、高温烧结成型，热处理等工艺步骤。

2.根据权利要求1所述的一种多主元高熵合金及制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

（1）原料准备：根据VZrHfTiCrZrMn合金材料的性能要求，设计各组分摩尔比例，换算成质量比后称取适量的各组分材料，其中各元素的纯度大于99.8%；

（2）前处理：根据各组分的物理性质，将上述粉末分别在50-200摄氏度的洁净烘箱中烘干5-8小时，同时通过研磨、球磨方法，将材料制成粉状后过筛，粒径控制在100-350微米；

（3）粉料混合：将上述烘干过的粉末逐一加入粉料混合机，并进行充分搅拌混合，搅拌时间为0.5-5小时，然后加入0.2-0.8%的蜡微粉，继续进行搅拌混合1-3小时；

（4）初步成型：将混合均匀的粉末倒入预压模具，然后在10吨成型机进行压制，压力控制在300-600兆帕，压制时间1-2小时；

（5）高温烧结成型：将预成型的压制品从模具取出，将其置入带气体保护氛围的真空烧结炉中进行烧结，温度达到350-500摄氏度保温1-2小时，温度在650-800摄氏度保温1.5-3小时，温度在1250-1400摄氏度保温1-3小时，最后将温度控制在1650-1850摄氏度，烧结0.5-2小时，其中保护气体为氩气；

（6）热处理：将烧结后的产品进行热处理，在820-850摄氏度，在保护气体氛围中加热0.5-1小时，进行淬火，然后在180-260摄氏度回火0.5-1小时。