CN106167870A - 一种NbMoTaW高熵合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高熵合金技术领域，公开了一种NbMoTaW高熵合金及其制备方法。该方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法。本发明方法使高熔点的Nb、Mo、Ta、W四种金属在固态实现合金化，不需要加热到熔点温度，仅一次固相烧结(烧结温度不超过1600℃)就可获得性能较好的块体材料，克服了熔炼法熔炼温度高(>2900℃)的难题，使加工温度大幅降低，工艺得到简化。本发明的NbMoTaW高熵合金显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，基体相和第二相均为BCC固溶体，基体平均晶粒尺寸<6μm；而第二相平均晶粒尺寸<4μm，材料晶粒细小、组织均匀、无枝晶偏析，具有较高的强度和硬度。
Description
技术领域
本发明属于高熵合金技术领域，特别涉及一种NbMoTaW高熵合金及其制备方法。
背景技术
高熵合金是近年发展起来的一种新型合金。与传统合金以一种或两种元素为主要组元不同，高熵合金中包含多个主要组元，一般定义为由五种或五种以上的元素按照等原子比或接近等原子比合金化的合金，广义的高熵合金也常常包括四主元或三主元的合金。因为该类合金具有较高的混合熵，所以倾向于形成单相或多相简单结构的高熵固溶体，而不是生成金属间化合物等复杂结构。现有的研究结果表明，高熵合金具有一些优于传统合金的性能，例如：高强度、高硬度、耐回火软化、高耐磨性、良好的耐腐蚀性和特殊的磁性能等，是材料学科中继非晶合金之后又一个全新的前沿研究领域。
目前，高熵合金的典型制备工艺主要包括“液态法”、“固态法”、“气态法”和“电化学方法”等。“液态法”的制备工艺主要有电弧熔炼、真空感应熔炼、激光熔覆等，“固态法”主要是机械合金化法，“气态法”主要是离子溅射沉积，“电化学方法”则主要是电化学沉积法。其中，电弧熔炼法是目前高熵合金制备中最常用的方法，它是利用电能在电极与被熔炼物料之间产生电弧来熔炼金属的电热冶金方法。电弧炉熔炼出来的金属，其气体和易挥发杂质含量下降，铸锭一般不会出现中心疏松，结晶较均匀。但该方法存在的问题是：存在电极污染、电弧稳定性差、熔炼速度慢、效率低，合金成分比例难于控制，易产生成分偏析等。为了使得成分均匀，常常需要反复熔炼多次，工序较为繁琐，电能消耗大。
近年来，国内外学者开始将机械合金化法用于高熵合金的制备。机械合金化是一种通过不断冷焊、断裂、再冷焊的过程使粉末在固态下实现合金化的高能机械球磨技术。因为机械合金化是一种固态加工工艺，所以可以显著降低材料的制备温度，克服熔点相差较大的原材料难以熔炼的问题，消除从液体到固体的转变过程中的枝晶偏析。机械合金化还具有成分可调范围大的特点，可以制备一些厌溶合金或过饱和固溶体。为了获得块体材料，机械合金化得到的金属粉末还必须经过热压、热等静压、放电等离子烧结等后续烧结工艺以获得致密的块体。目前，采用机械合金化法制备高熵合金仍处于起步阶段，文献报道可采用机械合金化法制备出AlFeTiCrZnCu、AlCoCrCuFe、NiCoCrCuFe、AlCoFeNiTi等高熵合金。
2011年，Senkov O N首次开发出完全由难熔金属元素组成的NbMoTaW高熵合金，该高熵合金具有单相BCC结构，硬度为5250MPa，室温最大抗压强度达到1211MPa，在1200℃的高温下还能维持803MPa的最大抗压强度。NbMoTaW系难熔高熵合金既可用于制造耐磨、耐高温的刀具和模具，也可用于制备金属表面的耐磨、耐高温、耐蚀涂层，还可适用于航空航天领域中的某些耐高温承重结构及热保护系统，故其潜在的应用前景十分广阔。目前NbMoTaW四元高熵合金主要采用电弧熔炼法制备，合金熔点约为2904℃。为了使合金中的元素分布均匀，合金锭需重复熔炼多次，工序复杂，能耗较高。制得的合金呈粗大的枝晶组织，平均晶粒尺寸约为200μm，枝晶内部富集较多的W元素，而枝晶间则含有较多的Nb、Mo元素。
若能采用机械合金化方法制备NbMoTaW合金，则不但可显著降低合金的制备温度，降低能耗，简化其制备工艺，而且能消除枝晶偏析，使合金的晶粒细化、成分均匀，从而将使其力学性能进一步改善，具有非常重要的科学和工程意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种NbMoTaW高熵合金的制备方法。该方法先采用机械合金化制备出单相体心立方(BCC)结构的合金粉末，再利用放电等离子烧结(SPS)进行烧结，得到块体材料，相对于熔炼法工艺简化，制备温度显著降低，得到的高熵合金显微组织细化，枝晶偏析现象消除，具有较高的强度和硬度。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的NbMoTaW高熵合金。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种NbMoTaW高熵合金的制备方法，采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，具体为采用机械合金化法制备单相BCC结构的NbMoTaW合金粉末，再利用放电等离子烧结技术对上述合金粉末进行烧结，得到NbMoTaW高熵合金块体材料。
更具体包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
将Nb、Mo、Ta、W四种单质粉末混合进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbMoTaW合金粉末；
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一得到的合金粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1300～1600℃
保温时间：8～25min
烧结压力：30～50MPa
升温速率：50～250℃/min
经烧结获得NbMoTaW高熵合金块体材料。
步骤一中所述机械合金化过程中采用的球磨罐和磨球的材质优选为不锈钢或硬质合金，所述球磨的工艺条件为：球料比为5:1～15:1，转速为100～300r/min，球磨时间为10～80h。
步骤一中所用Nb、Mo、Ta、W四种单质粉末的量优选为等原子比，也可选择非等原子比。
步骤一中的混合粉末在球磨过程中，逐渐发生机械合金化，最后形成单相BCC结构的合金粉末。此时，合金化过程完成，取出NbMoTaW高熵合金粉末用于后续的烧结。
步骤一中的球磨过程优选在惰性气体保护下进行。
本发明提供一种上述方法制备得到的NbMoTaW高熵合金块体材料，其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体，且基体富集较多的Mo、W，其平均晶粒尺寸<6μm；而第二相富集较多的Nb、Ta，其平均晶粒尺寸<4μm。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1、因为Nb、Mo、Ta、W均为高熔点金属，传统的熔炼方法需要加热到2904℃以上高温才能将其熔化，同时需多次重熔以消除成分偏析，而本技术采用机械合金化和放电等离子烧结相结合，不需要加热到熔点温度，仅一次固相烧结(烧结温度不超过1600℃)就可获得性能较好的块体材料，有效地降低了加工温度，简化了其制备工艺。
2、通过机械合金化获得成分均匀的高熵合金粉末，结合放电等离子烧结技术的放电效应、烧结温度低和烧结时间短等一系列优点，从而获得晶粒细小、无枝晶偏析的高熵合金块体材料，使材料的强度进一步提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种NbMoTaW高熵合金的粉末冶金制备方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
采用Nb、Mo、Ta、W四种单质粉末的等原子比混合粉末作为原料，在行星式高能球磨机的球磨罐中进行球磨。罐体材料及磨球的材质均为不锈钢，球磨罐内抽真空并充高纯氩气(99.99％)作为保护气氛。球磨过程中球料比为10:1，转速为300r/min，球磨10h后将NbMoTaW合金粉末取出，此时粉末已转变为单相BCC固溶体。
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一中的粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1500℃
保温时间：10min
烧结压力：30MPa
升温速率：100℃/min
经烧结后获得等原子比的NbMoTaW高熵合金块体材料，其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体。基体富集较多的Mo、W，其平均晶粒尺寸为4.3μm；而第二相富集较多的Nb、Ta，其平均颗粒尺寸为2.9μm。NbMoTaW高熵合金在常温下的压缩断裂强度达到1905MPa，显微硬度Hv为7136MPa。材料的强度和硬度均比电弧熔炼法制备的同类合金显著提高。
实施例2
一种NbMoTaW高熵合金的粉末冶金制备方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
原料粉、设备同实施例1，球料比为5:1，转速为250r/min，球磨时间为80h。
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一中获得的粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1300℃
保温时间：25min
烧结压力：50MPa
升温速率：50℃/min
经烧结获得等原子比的NbMoTaW高熵合金块体材料，其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体。基体富集较多的Mo、W，平均晶粒尺寸为0.5μm，而第二相富集较多的Nb、Ta，平均颗粒尺寸为0.3μm。材料在常温下的压缩断裂强度达到1840MPa，显微硬度Hv为8927MPa。材料的强度和硬度均比电弧熔炼法制备的同类合金显著提高。
实施例3
一种NbMoTaW高熵合金的粉末冶金制备方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
原料粉、设备同实施例1，球料比为15:1，转速为100r/min，球磨时间为60h。
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一中获得的粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1400℃
保温时间：17min
烧结压力：30MPa
升温速率：150℃/min
经烧结获得等原子比的NbMoTaW高熵合金块体材料，其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体。基体富集较多的Mo、W，平均晶粒尺寸为1.1μm；第二相富集较多的Nb、Ta，平均颗粒尺寸为0.7μm。材料在常温下的压缩断裂强度达到1870MPa，显微硬度Hv为7894MPa。材料的强度和硬度均比电弧熔炼法制备的同类合金显著提高。
实施例4
一种NbMoTaW高熵合金的粉末冶金制备方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
原料粉、设备同实施例1。球磨罐和磨球为硬质合金，球料比为8:1，转速为200r/min，球磨时间为40h。
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一中获得的粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1600℃
保温时间：8min
烧结压力：40MPa
升温速率：250℃/min
经烧结后获得等原子比的NbMoTaW高熵合金块体材料，其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体。基体富集较多的Mo、W，其平均晶粒尺寸约为5.2μm；而第二相富集较多的Nb、Ta，其平均颗粒尺寸约为3.3μm。材料在常温下的压缩断裂强度达到1598MPa，显微硬度Hv为6888MPa。材料的强度和硬度均比电弧熔炼法制备的同类合金显著提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种NbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于该方法采用机械合金化和放电等离子烧结技术相结合的成形方法。
2.根据权利要求1所述的NbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于该方法具体为采用机械合金化法制备单相BCC结构的NbMoTaW合金粉末，再利用放电等离子烧结技术对所述合金粉末进行烧结，得到NbMoTaW高熵合金块体材料。
3.根据权利要求1所述的NbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：采用机械合金化法制备NbMoTaW合金粉末
将Nb、Mo、Ta、W四种单质粉末混合进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbMoTaW合金粉末；
步骤二：放电等离子烧结
采用放电等离子烧结炉烧结步骤一得到的合金粉末，其工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：直流脉冲电流
烧结温度：1300～1600℃
保温时间：8～25min
烧结压力：30～50MPa
升温速率：50～250℃/min
经烧结获得NbMoTaW高熵合金块体材料。
4.根据权利要求3所述的NbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤一中所述球磨的工艺条件为：球料比为5:1～15:1，转速为100～300r/min，球磨时间为10～80h。
5.根据权利要求3所述的NbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于：步骤一中所用Nb、Mo、Ta、W四种单质粉末的量为等原子比，或非等原子比。
6.一种NbMoTaW高熵合金，其特征在于由权利要求1～5任一项所述的方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的NbMoTaW高熵合金，其特征在于该合金其显微组织为等轴晶基体中弥散分布着颗粒状第二相，其中基体相和第二相均为BCC固溶体，且基体富集较多的Mo、W，其平均晶粒尺寸<6μm；而第二相富集较多的Nb、Ta，其平均晶粒尺寸<4μm。
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