CN109554600A - 一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法，第一步，提前进行其中各种金属粉末的比例的设置，第二步，进行种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备；采用了数据处理与化学方法结合的方式，并设计了CoCrFeNiMn高熵合金粉的制取设备设备，将功能分发到各个模块，各个模块之间协调，并加大了安全控制与对数据的整合的力度。

Description

一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，为一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法。

背景技术

高熵合金作为一种新型合金，突破了传统合金一种或者两种元素为基的成分设计，以5种以上元素混合制成，其中每种元素原子百分比都在5％到35％之间。由于其本身特有的高滴效应，此类合金可形成简单的FCC或BCC结构，从而拥有很多传统合金不具备的良好性能，随着高熵合金研巧的日趋成熟，将会有越来越多的高熵合金有望进入工业化生产从而得到应用。对高熵合金粉的研制也迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法，包含以下内容：

第一步，准备选取了Co金属粉末、Cr金属粉末、Fe金属粉末、Ni金属粉末、Mn金属粉末五种金属粉末，金属粉末的纯度为99.89％；

其中，Co金属粉末的摩尔质量为59.96g/mol、尺寸为1.26nm，密度为 8.8g/cm²；Cr金属粉末的摩尔质量为53.01g/mol，尺寸为1.29nm，密度为 7.22g/cm²；Fe金属粉末的摩尔质量为56.89g/mol，尺寸为56.9nm，密度为 7.89/cm²；Ni金属粉末的摩尔质量为58.99g/mol，尺寸为1.26nm，Mn金属粉末的摩尔质量为55.2g/mol，尺寸为1.81nm；

设置Co金属粉末、Cr金属粉末、Fe金属粉末、Ni金属粉末、Mn金属粉末的比例，混合的摩尔比例为1:1.4:1:0.8:0.9，根据摩尔比例换算成每一种金属粉末的质量比，质量的单位为克；设定金属粉末的总质量为M克，M为实数，用M 乘以每一种金属粉末的质量比，计算Co金属粉末、Cr金属粉末、Fe金属粉末、 Ni金属粉末、Mn金属粉末的质量；称量Co金属粉末、Cr金属粉末、Fe金属粉末、 Ni金属粉末、Mn金属粉末的质量，使用精确天平进行称量，放入一个玻璃瓶中；

第二步，将玻璃瓶里的金属粉末使用三维混合机进行混合，得到混合后的金属粉末，将其放入CoCrFeNiMn高熵合金粉的制取设备，制取设备包含粉末传输模块、数据处理模块、位置移动模块、权限控制模块以及粉末腔室、成形室；粉末传输模块与数据处理模块相连，数据处理模块与位置移动模块，权限控制模块与数据处理模块相连；

粉末传输模块负责将混合后的金属粉末抽取并传输给粉末腔室，抽取的过程中，数据处理模块不停地检测抽取混合后的金属粉末传送的速度v，v的单位为毫米/秒；将传送的速度v打包成数据包，并在数据包上盖生时间戳，组成带有时间戳的数据包；其中，时间戳为传送时的北京时间；在粉末腔室内用激光对准混合后的金属粉末，将其融化；融化的过程中位置移动模块移动混合后的金属粉末，移动的位移为Δs,单位为cm，并在融化的过程中使用惰性气体防止混合后的金属粉末氧化；将移动的位移Δs也盖上时间戳，然后，加入带有时间戳的数据包，得到带有时间戳的完整数据包；将带有时间戳的完整数据包进行阈值转换后，权限控制模块生成一对私钥与公钥，使用私钥对阈值转换后的带有时间戳的完整数据包进行加密，并将公钥连同加密后的阈值转换后的带有时间戳的完整数据包发送给数据处理模块，数据处理模块使用公钥进行解密后，对阈值转换后的带有时间戳的完整数据包进行分析，绘制传送的速度v以及位移Δs的波动曲线，波动曲线的横坐标为时间戳，波动曲线的纵坐标为传送的速度v以及位移Δs的值，分别将两者使用蓝色线、黑色线表示，并标注蓝色线与黑色线的波峰；混合后的金属粉末融化后，进行沉积，送入成形室，将空气抽取，变为真空，进行熔炼，反复熔炼6次，最后得到CoCrFeNiMn高熵合金粉；

其中，带有时间戳的完整数据包进行阈值转换的公式如下：

其中k₁、k₂为传送的速度v、位移Δs的调整系数，t为时间戳代表的北京时间；为传送的速度v的阈值，为位移Δs的阈值，k为任一实数，为阈值转换的调整系数。

本发明的有益成果为：本发明提供了一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法，采用了数据处理与化学方法结合的方式，并设计了CoCrFeNiMn高熵合金粉的制取设备设备，将功能分发到各个模块，各个模块之间协调，并加大了安全控制与对数据的整合的力度。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：传统合金通常把一个元素作为主要组元，通过添加少量的其他元素来改变合金的某些性能，如锆基、镁基合金通过少量的元素添加替代、端来改善合金的储氢性能。传统合金发展模式认为，随着添加元素量及组元数的增多，会导致很多化合物尤其是金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分分析带来困难。直到年，中国台湾清华大学学者发现多组元合金由于具有很高的混合熵，可以形成简单相固溶体，而且认为这种固溶体是高混合熵稳定的固溶体，因此命名为高熵合金，提出了合金的新理念，打破了人们固有的合金设计理论。

所谓“高熵合金”就是以多种主要元素组成的合金，其中每个主要元素皆具有高的原子百分比，定义高熵合金的主要元素数目，但其原子百分比皆不超过不小于，次要主元小于。因此高熵合金与传统合金不同，传统合金含有一个原子百分比大于的主要元素材料的状态及特性与热力学中的洽、熵和自由能密不可分，高熵合金概念的引入，主要由于主元的增多，而提出的一个混乱理论。在热力学上，熵是代表混乱度的一个参数，混乱度越大，其熵就越大。对于理想合金溶体或正规焰体，原子振动组态、电子组、磁矩组态等对一个物质系统的熵的贡献较小而忽略不计，混合熵在此为主要熵的贡献，则高熵合金的混合摘的计算以原子排列的混合熵为主，因此混合熵是高熵合金有别于传统合金的重要热力学特性。

Co元素能够提髙材料的耐高温性，Cr元素含量超过18％的时候，合金具有极佳的抗腐蚀性能。Ni在耐腐蚀、耐高温、防镑等方面具有很好的性能。Mn和 Fe都是工业中最广泛使用的材料，Mn能提高材料的强度。各元素的含量的配比是按照近摩尔比例条件下，材料的层错能最小的情况进行分配的近摩尔比例保持材料最好稳定性。

将金属粉末传输至粉末腔室，然后聚焦激光对准粉末，将其融化；利用计算机辅助控制试样基底前后左右移动，并采用惰性气体屏蔽工作室以防止金属粉末熔化的过程发生氧化；逐层往复沉积可以制得所需试样。此工艺可以生产梯度材料，逐层改变粉体的成分或者配比，可以得到具有不同性能的梯度材料。质量比的计算，换算为将所述摩尔比例乘以所述摩尔质量得到质量比。

实施例2：材料的准备

本实验中使用的材料是高纯度金属化，金属纯度均为99.9％。制备之前首先将合金元素质量分数通过称量软件计算出来，再根据模具铸满时的体积计算出总体质量，进一步根据摩尔比例换把每种元素的质量算出来。在制取金属元素时，首先除去金属表面的氧化膜。再将各金属倒入丙酮中用超声波进行清洗，将表面的油污和配料时附加的杂质除去，确保金属表面的干净程度。然后利用精度为 0.001克的电子天平称出所需要质量的合金组元，每种元素要称量3次，W确保其质量的准确性。最后用吹风机吹干，准备进行烙炼。

真空熔炼法

真空感应熔炼(Vacuum induction melting，简称VIM)是一种在真空条件下利用电磁感应产生电流，使金属熔化的方法来熔炼金属的金属工艺制程。熔炼在真空条件下进行，能使金属更好地脱气除去易挥发物，同时可避免金属生成化合物，保证了金属的纯度，因此该制程可用来提炼高纯度金属及合金。本实验初步实验过程就利用了此方法。

机械合金化法

机械合金化(Mechanical Alloying，简称MA)是用高能研磨机或球磨机实现固态合金化的过程。到目前为止，机械合金化技术会应用在制备弥散强化合金材料、非晶、准晶材料、纳米材料和金属间化合物等领域。实验采用QM-3SP04 行星式高能球磨机，球和料的重量比为10：1，采用硬质合金材质磨罐和高铬合金磨介，用于机械合金化。实验原料按照实验方案的摩尔比称量放置于球磨罐中，磨介直径大小分别为5mm、7mm和10mm，磨介粒径不同的目的是使粉料经过充分地断裂和焊合过程。在球磨过程当中，充入氩气，作为保护气体，球磨时间 10h,球磨机转速为400r/min。

真空热压烧结法

真空热压烧结是指在真空下(10～10-3帕)对金属或合金块坯烧结的一种方法。在真空条件下烧结，就不会有金属与空气中气体的反应，也没有吸附气体影响，因此可以起到净化和还原作用，得到的块坯纯度较高。本实验采用该方法制得的试样纯度较高，但致密性不好。

放电等离子烧结法

马塞诸塞州国家实验室为获得微晶合金尝试机械合金化与放电等离子烧结结合工艺，利用高脉冲电流施加到石墨磨具上加温，同时施加压力，粉末颗粒几乎瞬间发热，导致在短短几分钟内试样烧结完毕，使微晶结构在合金内部得以保留。本实验采用放电等离子技术对球磨后的粉体进行烧结，烧结温度分别为1100℃，烧结压力为30MPa，真空度10^{- 1}Pa，烧结时间为10min，炉冷。

本发明的有益成果为：本发明提供了一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法，采用了数据处理与化学方法结合的方式，并设计了CoCrFeNiMn高熵合金粉的制取设备设备，将功能分发到各个模块，各个模块之间协调，并加大了安全控制与对数据的整合的力度。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

Claims (1)

1.一种CoCrFeNiMn高熵合金粉的制备方法，其特征在于，包含以下内容：

第一步，准备选取了Co金属粉末、Cr金属粉末、Fe金属粉末、Ni金属粉末、Mn金属粉末五种金属粉末，所述金属粉末的纯度为99.89％；

其中，所述Co金属粉末的摩尔质量为59.96g/mol、尺寸为1.26nm，密度为8.8g/cm²；所述Cr金属粉末的摩尔质量为53.01g/mol，尺寸为1.29nm，密度为7.22g/cm²；所述Fe金属粉末的摩尔质量为56.89g/mol，尺寸为56.9nm，密度为7.89/cm²；所述Ni金属粉末的摩尔质量为58.99g/mol，尺寸为1.26nm，所述Mn金属粉末的摩尔质量为55.2g/mol，尺寸为1.81nm；

设置所述Co金属粉末、所述Cr金属粉末、所述Fe金属粉末、所述Ni金属粉末、所述Mn金属粉末的比例，混合的摩尔比例为1:1.4:1:0.8:0.9，根据所述摩尔比例换算成每一种所述金属粉末的质量比，质量的单位为克；设定所述金属粉末的总质量为M克，M为实数，用M乘以每一种所述金属粉末的质量比，计算所述Co金属粉末、所述Cr金属粉末、所述Fe金属粉末、所述Ni金属粉末、所述Mn金属粉末的质量；称量所述Co金属粉末、所述Cr金属粉末、所述Fe金属粉末、所述Ni金属粉末、所述Mn金属粉末的质量，使用精确天平进行称量，放入一个玻璃瓶中；

第二步，将所述玻璃瓶里的所述金属粉末使用三维混合机进行混合，得到混合后的金属粉末，将其放入所述CoCrFeNiMn高熵合金粉的制取设备，所述制取设备包含粉末传输模块、数据处理模块、位置移动模块、权限控制模块以及粉末腔室、成形室；所述粉末传输模块与所述数据处理模块相连，所述数据处理模块与所述位置移动模块，所述权限控制模块与所述数据处理模块相连；

所述粉末传输模块负责将所述混合后的金属粉末抽取并传输给所述粉末腔室，抽取的过程中，所述数据处理模块不停地检测抽取所述混合后的金属粉末，并进行传送，传送的速度v，v的单位为毫米/秒；将所述传送的速度v打包成数据包，并在所述数据包上盖生时间戳，组成带有时间戳的所述数据包；其中，所述时间戳为传送时的北京时间；在所述粉末腔室内用激光对准所述混合后的金属粉末，将其融化；融化的过程中所述位置移动模块移动所述混合后的金属粉末，移动的位移为Δs,单位为cm，并在融化的过程中使用惰性气体防止所述混合后的金属粉末氧化；将所述移动的位移Δs也盖上所述时间戳，然后，加入所述带有时间戳的所述数据包，得到带有时间戳的完整数据包；将所述带有时间戳的完整数据包进行阈值转换后，所述权限控制模块生成一对私钥与公钥，使用私钥对阈值转换后的所述带有时间戳的完整数据包进行加密，并将公钥连同加密后的阈值转换后的所述带有时间戳的完整数据包发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块使用公钥进行解密后，对所述阈值转换后的所述带有时间戳的完整数据包进行分析，并绘制所述传送的速度v以及所述位移Δs的波动曲线，所述波动曲线的横坐标为所述时间戳，所述波动曲线的纵坐标为所述传送的速度v以及所述位移Δs的值，分别将两者使用蓝色线、黑色线表示，并标注所述蓝色线与所述黑色线的波峰；所述混合后的金属粉末融化后，进行沉积，送入所述成形室，将空气抽取，使所述成形室变为真空，进行熔炼，反复熔炼6次，最后得到所述CoCrFeNiMn高熵合金粉；

其中，所述带有时间戳的完整数据包进行阈值转换的公式如下：

其中k₁、k₂为所述传送的速度v、所述位移Δs的调整系数，t为所述时间戳代表的北京时间；为所述传送的速度v的阈值，为所述位移Δs的阈值，所述为大于所述传送的速度v的任一实数，所述为大于所述位移Δs的任一实数，所述所述由制取时由用户指定，s为所述混合后的金属粉末被移动的距离，k为任一实数，为所述阈值转换的调整系数。