CN108374113A - 一种TaTiZrAlSi高熵合金及其粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TaTiZrAlSi高熵合金及其粉末的制备方法，本发明的高熵合金由Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成，摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（5‑35）：（5‑35）：（5‑35）：（5‑35）：（5‑35）。本发明还提供了一种真空或惰性气氛下高能球磨制备所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末的方法，可制备得到不同粒径大小、完全合金化的TaTiZrAlSi高熵合金粉末，粉末形状可为类球形或其他非规则形状。本发明制备得到的TaTiZrAlSi高熵合金粉末为单一BCC固溶体结构，成分分布均匀，直径小，可达到纳米级，制备工艺简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种高熵合金及其粉末的制备方法，具体指一种抗氧化烧蚀TaTiZrAlSi高熵合金及其粉末的制备方法。
背景技术
难熔高熵合金由Mo、Nb、Ta、W、Hf、V等难熔金属组成，其熔点高，强度大，耐高温性能优异，在航空航天领域具有十分广阔的应用前景。Senkov等首次公开报道了由难熔金属元素组成的Mo25Nb25Ta25W25高熵合金（Intermetallics，19 (2011) 698-706），该高熵合金为体心立方结构，室温压缩强度为1211MPa，其在1600oC压缩强度为600MPa，具有十分优异的耐高温性能和高温强度，是一种新型的耐高温结构材料。
航空航天领域应用的耐高温部件长期在氧化和烧蚀环境下服役，有时还需承受巨大的气流冲刷，对耐高温材料的抗氧化耐烧蚀性能提出了越来越高的要求，不但要求耐高温部件材料具有较高的高温强度和稳定性，还要求其具有良好的高温抗氧化烧蚀性能。然而，目前已发展的难熔高熵合金虽具有优异的耐高温性能和高温强度，但由于含有Mo、W等高温下易氧化元素，难熔高熵合金在高温下的抗氧化性能不佳，亟需开发新型的高温抗氧化高熵合金。
目前，难熔高熵合金主要采用电弧熔炼法制备，为了使合金元素分布均匀，合金锭需要重复多次熔炼，较难制备大尺寸复杂形状的样件。受电弧熔炼水冷铜坩埚冷却的影响，铸锭易产生枝晶偏析和成分偏析。粉末冶金法和表面涂层技术为抗氧化烧蚀难熔高熵合金的制备和应用提供了新思路。一方面，采用粉末冶金法能制备出不同形状大小的抗氧化难熔高熵合金块体，有效避免成分偏析和细化晶粒；另一方面，采用表面涂层技术可将抗氧化难熔高熵合金涂覆在其他耐高温材料或难熔高熵合金基体表面，有效提高基体耐高温材料的抗氧化性能。高性能粉末的制备是抗氧化耐烧蚀难熔高熵合金粉末冶金法和表面涂层应用的关键，然而，难熔高熵合金熔点高，合金元素在高温下易发生氧化，合金粉体的制备较为困难，亟需开发粉末直径小，粒度成分均匀，工艺简单可调的抗氧化难熔高熵合金的粉末制备技术。
发明内容
针对现有难熔高熵合金含有W、Mo等易氧化元素，抗氧化性能较差的不足，本发明提供一种抗氧化TaTiZrAlSi高熵合金及其粉末的制备方法。
本发明提供的一种TaTiZrAlSi高熵合金由Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成，摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）。
进一步地，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（10-30）：（10-30）：（10-30）：（10-30）：（10-30）。
更进一步地，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（15-25）：（15-25）：（15-25）：（15-25）：（15-25）。
优选地，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=20：20：20：20：20。
本发明提供了一种上述TaTiZrAlSi高熵合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
（1）Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素高纯度粉末混合均匀；
（2）真空或惰性气氛下制备高熵合金粉末；
（3）步骤（2）的粉末取出，真空干燥，过筛分级，得到不同粒径大小完全合金化的高熵合金粉末。
上述制备方法中，步骤（1）的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素高纯度粉末的纯度高于99%，粒径为500-100目。可采用任何机械方式将四种元素粉末混合均匀。
上述制备方法步骤（2）采用高能球磨法制备，所用球磨罐为真空不锈钢罐、硬质合金罐或者玛瑙罐，所用球为不锈钢球、硬质合金球或者氧化锆球；球磨介质为无水乙醇、聚乙烯醇、硬脂酸或聚甲基丙烯酸甲酯；球磨工作条件为：转速100-500转/min，球料比2:1-20:1球磨时间5-100 h。
步骤（2）所述的惰性气氛，在本发明的实施例中，是向球磨罐中充入纯度99%的氩气。步骤（2）中，球磨条件优选为：球磨转速200-400转/min，球料比5:1-15:1，球磨时间10-60 h。进一步优选地，球磨转速350转/min，球料比10:1，球磨时间30-40 h。
本发明的制备方法中，步骤（3）真空干燥的条件为60-200℃干燥1-5 h。
本发明提供的高熵合金或所述制备方法制得的高熵合金粉末在高温抗氧化耐烧蚀领域的应用也属于本发明的保护范围。
本发明的优点在于：
（1）发明了一种全部由抗氧化组元组成的新型TaTiZrAlSi高熵合金，根据高熵合金的鸡尾酒效应，合金具有良好的抗氧化耐烧蚀性能。
（2）TaTiZrAlSi高熵合金中含有Al、Si、Ti和Zr组元，不但高温抗氧化烧蚀性能优异，还具有低密度，有效降低了高熵合金的密度。
（3）发明的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成的高熵合金，各元素原子含量可在5-35%内变化，均能形成单一BCC固溶体结构的高熵合金，便于根据密度和服役环境要求，实时调整各元素含量。
（4）所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末制备方法工艺简单、易操作、效率高、成本低，可制备得到不同成分配比且完全合金化的TaTiZrAlSi高熵合金粉末，粉末成分分布均匀。
（5）所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末制备方法制备高熵合金粉末直径小，可达到纳米级。
（6）所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末制备方法能制备出类球形或非规则形状的粉末，可应用于粉末冶金工艺、热喷涂工艺、3D打印工艺或其他工艺成形得到块体高熵合金或涂层，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得的TaTiZrAlSi高熵合金粉末的XRD图。
图2为实施例1所制备TaTiZrAlSi高熵合金粉末的扫描电镜图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
若未特别说明，本申请实施例所述的原料均为市售。
实施例1：一种TaTiZrAlSi高熵合金，由Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成，合金元素含量摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=20：20：20：20：20。
所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末的制备方法如下：选取纯度高于99%，粒径分别为300目的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种粉末，按照合金元素含量摩尔百分比Ta：Ti：Zr：Al：Si=20：20：20：20：20配制合金粉料。将配制的合金粉料在混料机中混合均匀，得到未合金化的机械混合粉末。按照球料比10:1称取所制备的未合金化机械混合粉末和磨球，装入球磨罐，开始抽真空，在真空环境下采用高能球磨法制备高熵合金粉末。所述球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球，所述球磨工艺为转速300转/min，球磨时间80h。球磨结束后，将所制备的粉末取出，在真空干燥箱中于80℃干燥1h，随后过筛分级，得到完全合金化的TaTiZrAlSi高熵合金粉末。
图1为本实施例制备的TaTiZrAlSi高熵合金粉末XRD图谱，从图中可以看出球磨后元素已经完全合金化，形成了单一BCC固溶体结构的高熵合金。图2为本实施例方法制备的TaTiZrAlSi高熵合金粉末的SEM图，从图中可以看出粉末为类球形，分布较为均匀。采用EDS对各个区域粉末的元素组成进行分析，结果表明粉末由Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成，其摩尔比接近配制的原料比例，元素分布均匀。
实施例2：一种TaTiZrAlSi高熵合金，由Ta、Ti、Zr、Al和Si五种元素组成，合金元素含量摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=30：30：20：10：10。
所述TaTiZrAlSi高熵合金粉末的制备方法如下：选取纯度高于99%，粒径分别为300目的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种粉末，按照合金元素含量摩尔百分比Ta：Ti：Zr：Al：Si=30：30：20：10：10配制合金粉料。将配制的合金粉料在混料机中混合均匀，得到未合金化的机械混合粉末。按照球料比15:1称取所制备的未合金化机械混合粉末和磨球，装入球磨罐，开始抽真空，在Ar气环境下采用高能球磨法制备高熵合金粉末。所述球磨罐为硬质合金罐，所用球为硬质合金球，所述球磨工艺为转速350转/min，球磨时间60h。球磨结束后，将所制备的粉末取出，在真空干燥箱中于80℃干燥1h，随后过筛分级，得到完全合金化的TaTiZrAlSi高熵合金粉末。本实施例制备的TaTiZrAlSi高熵合金粉末的XRD图谱与实施例1的高熵合金粉末的XRD图谱类似，均由单一的BCC结构固溶体组成，说明球磨后元素已经完全合金化，形成了高熵合金。本实施例方法制备的TaTiZrAlSi高熵合金粉末的SEM图亦与实施例1粉末类似，粉末形状为类球形，大小分布均匀。
对比例1：选取纯度高于99%，粒径分别为200目的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种粉末，按照合金元素含量摩尔百分比Ta：Ti：Zr：Al：Si=60：10：10：10：10配制合金粉料。将配制的合金粉料在混料机中混合均匀，得到未合金化的机械混合粉末。按照料球比10:1称取所制备的未合金化机械混合粉末和磨球，装入球磨罐，开始抽真空，在真空环境下高能球磨。所述球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球，所述球磨工艺为转速300转/min，球磨时间80h。球磨结束后，将所制备的粉末取出，在真空干燥箱中于60℃干燥3h，得到球磨粉末。对球磨粉末进行X射线衍射分析，结果表明高能球磨后所述成分比例混合粉末并没有完全合金化形成TaTiZrAlSi高熵合金粉末。
对比例2：选取纯度高于99%，粒径分别为200目的Ta、Ti、Zr、Al和Si五种粉末，按照合金元素含量摩尔百分比Ta：Ti：Zr：Al：Si=50：5：5：30：10配制合金粉料。将配制的合金粉料在混料机中混合均匀，得到未合金化的机械混合粉末。按照料球比10:1称取所制备的未合金化机械混合粉末和磨球，装入球磨罐，开始抽真空，在真空环境下高能球磨。所述球磨罐为真空不锈钢罐，所用球为不锈钢球，所述球磨工艺为转速350转/min，球磨时间40h。球磨结束后，将所制备的粉末取出，在真空干燥箱中于60℃干燥3h，得到球磨粉末。对球磨粉末进行X射线衍射分析，结果表明高能球磨后所述成分比例混合粉末并未完全合金化形成TaTiZrAlSi高熵合金粉末。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种TaTiZrAlSi高熵合金，其特征在于，由Ta、Ti 、Zr、Al和Si五种元素组成，摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si =（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）：（5-35）。
2.如权利要求1所述的任一高熵合金，其特征在于，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（10-30）：（10-30）：（10-30）：（10-30）：（10-30）。
3.如权利要求1-2所述的任一高熵合金，其特征在于，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=（15-25）：（15-25）：（15-25）：（15-25）：（15-25）。
4.如权利要求1-3任一所述的高熵合金，其特征在于，所述五种元素的摩尔百分比为Ta：Ti：Zr：Al：Si=20：20：20：20：20。
5.权利要求1-4任一所述的高熵合金的粉末制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）Ta、Ti 、Zr、Al和Si五种元素高纯度粉末混合均匀；
（2）真空或惰性气氛下制备高熵合金粉末；
（3）步骤（2）的粉末取出，真空干燥，过筛分级，得到不同粒径大小完全合金化的高熵合金。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）采用高能球磨法制备，所用球磨罐为真空不锈钢罐、硬质合金罐或者玛瑙罐，所用球为不锈钢球、硬质合金球或者氧化锆球；球磨介质为无水乙醇、聚乙烯醇、硬脂酸或聚甲基丙烯酸甲酯；球磨工作条件为：转速100-500转/min，球料比2:1-20:1球磨时间5-100 h。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，球磨条件为：转速200-400转/min，球料比5:1-15:1，球磨时间10-60 h。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）真空干燥的条件为60-200℃干燥1-5 h。
9.权利要求1-5任一所述的TaTiZrAlSi高熵合金在耐高温、抗烧蚀、耐烧蚀领域的应用。
10.权利要求5-8任一所述的TaTiZrAlSi高熵合金粉末制备方法制得的高熵合金粉末及其在制备耐高温抗氧化合金材料中的应用。
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