CN111763867B - 一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料，属于CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料。本发明的CoCrTiAlSi高熵合金粉末通过以下步骤制备得到：(1)采用金属元素粉熔炼制备CoCrTiAlSi母合金；(2)在雾化设备中将所述母合金熔化并形成金属液流；(3)金属液流被气雾化喷嘴产生的雾化介质气流破碎成细小的金属液滴，冷却后得到球形的高熵合金粉末。采用气雾化方法制备的高熵合金粉末粒径分布合理，球形度好，而且成分分布均匀，并且通过控制粉末氮含量，制备的烧结材料具有优异的耐磨性。

Description

一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料

技术领域

本发明涉及CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料，更具体地说，本发明涉及一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料。

背景技术

随着超硬工具行业的发展，对工具性能的要求也不断提高，在20世纪90年代，比利时优美科公司Umicore公司首先提出了在超硬工具(金刚石工具)中使用超细预合金粉末的概念，预合金粉末是一种由两种或两种以上元素组成的，在粉末的制造过程中发生合金化，并且所有的颗粒保持与标称含量一致的组分的金属粉末。预合金粉末具有元素分布均匀、硬度高、烧结温度低的优点，但在实际应用于超硬工具的预合金粉末的种类受限，常用的预合金粉末为以Al、Ti或Fe为主要成分的Al系、Ti系或Fe系预合金粉末，例如常用的有Fe-Co-Al或Al-Fe-Sn-Ti预合金粉末等。在上述以Al、Fe或Ti为主的预合金粉末中，通过添加合金化元素成分来调整和改变其性能，合金中出现复杂的金属间化合物的概率也越高，从而可能使得脆性增加，并导致硬度和塑性降低。对于超硬工具而言，其中的硬质颗粒成分，通常是孕镶在胎体材料中，工作时需要将胎体材料磨损消耗才能够使得硬质颗粒相凸出，作为微切削刃来工作，因而如何根据切削对象、切割性能要求来选择合适的胎体材料，既能够以适宜的速度磨损，又能够使得工具保持足够的自锐性，满足超硬工具胎体材料的多样化和个性化的性能要求。

高熵合金(HEA)自1995年被Yeh J W等提出以来[Yeh J W等，Nanostructuredhigh-entropy alloys with multiple principal elements：novel alloy designconcepts and outcomes[J].Advanced Engineering Materials，6(5)：299-303，2004.]由于性能优异而被人们广泛研究。多种主元组成的HEA因具有高熵效应、晶格畸变效应、迟缓扩散效应和鸡尾酒效应等一系列特性，使其具有优异的物理、化学及力学性能，如高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高的低温韧性等，因此可以解决硬质合金硬度高而韧性不足，或者即使满足了高硬度与高韧性的问题，又不能实现高温下的抗氧化或耐腐蚀等问题[Yeh J W High-entropy alloys：a critical review[J].Materials Research Letters，2：3，107-123，2014.]。本课题希望能提供一种能够应用于超硬工具且耐磨性能优异，尤其上高温耐磨性能优异的高熵合金粉末以及烧结材料材料。

发明内容

为了实现上述目标，本发明提供一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料。

一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用金属元素粉熔炼制备CoCrTiAlSi母合金；

(2)在雾化设备中将所述母合金熔化并形成金属液流；

(3)所述金属液流被气雾化喷嘴产生的雾化介质气流破碎成细小的金属液滴，冷却后得到球形的高熵合金粉末。

其中，所述雾化介质气流的压力为1.5～5.0MPa，并且所述雾化介质气流为氩气与氮气的混合气体，并且氮气占混合气体的体积比为0.5～20.0v％。

其中，所述CoCrTiAlSi母合金中，Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si的摩尔比为0.8～1.2∶0.8～1.2∶1.8～2.0∶0.8～1.2∶0.8～1.2。

其中，步骤(1)中，熔炼在真空气氛或氩气保护气氛下进行，熔炼温度为1680～1850℃。

其中，步骤(1)中，采用感应熔炼工艺。

本发明的第二方面还涉及一种由上述制备方法制备得到的CoCrTiAlSi高熵合金粉末。

其中，所述高熵合金粉末的粒径小于74μm。

其中，所述高熵合金粉末中氮含量为0.21～1.56wt％。

一种烧结材料，其特征在于由上述高熵合金粉末通过热压烧结工艺制备得到。

与现有技术相比，本发明的CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料具有以下有益效果：

采用气雾化方法制备的高熵合金粉末粒径分布合理，球形度好，而且成分分布均匀，并且通过控制粉末氮含量，制备的烧结材料具有优异的耐磨性。

附图说明

图1为本发明中气雾化粉末制备的原理示意图。

图2为本发明制备的CoCrTiAlSi高熵合金粉末的XRD衍射图谱。

图3为本发明制备的CoCrTiAlSi高熵合金粉末的SEM照片。

图4为本发明制备的CoCrTiAlSi高熵合金粉末的粒径分布图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的CoCrTiAlSi高熵合金粉末以及烧结材料做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提供了一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末的制备方法其原料如图1所示，采用的气雾化装置包括真空室，真空室通过抽真空口40向外抽真空，真空室的上端设置有熔炼炉10，熔炼炉10的下方开设有熔液出口，所述熔炼炉10的周围设置有感应线圈，通过感应线圈给设置在熔炼炉10内的金属原料加热熔融，熔炼的CoCrTiAlSi母合金熔化后形成金属液流通过重力作用从熔液出口流出形成金属液流流出，通过控制熔液出口的直径控制所述金属液流的直径，例如可控制在2～5mm的直径范围，另外为了保证合适的过热度，在熔液出口的周围同样也设置有感应线圈，以控制熔炼温度和从熔液出口流出的金属液流温度为1680～1850℃，熔炼可在真空下进行，也可在氩气保护下进行。从熔液出口流出的金属液流被气雾化喷嘴20产生的雾化介质气流破碎成细小的金属液滴30，冷却后在收集器50中可得到球形的高熵合金粉末，另外为了方便观察，气雾化装置中还设置有观察窗口60。在本发明中，所述CoCrTiAlSi母合金制备工艺采用的金属粉末原料Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si的摩尔比为0.8～1.2∶0.8～1.2∶1.8～2.0∶0.8～1.2∶0.8～1.2。制备的CoCrTiAlSi高熵合金粉末的XRD衍射图谱呈现出非晶和晶体的混合状态，图2示出了典型的XRD图谱，图3可以看出制备的粉末主要呈球形，且球形度高，而通过XRD图谱的衍射宽峰利用谢乐公式可以计算出粉末的晶粒尺寸小于40nm。图4示出了制备的CoCrTiAlSi的典型的粒径分布，在本发明中制备的粉末粒径一般均小于74μm(过200目筛)。

在本发明中，雾化介质气流的压力为1.5～5.0MPa，优选为1.5～3.0MPa，所述雾化介质气流为氩气与氮气的混合气体，并且氮气占混合气体的体积比为0.5～20.0v％。通过在雾化介质的混合气体中引入氮气，可控制高熵合金粉末中的氮含量，并且当粉末中的氮含量控制在0.21～1.56wt％的范围，优选为0.20～1.20的范围时，由该粉末制备的烧结材料具有优异的耐磨性。

实施例1

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1800±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出由氮气和氩气的混合气流冲击所述金属液流，气流的压力为2.0MPa，氮气占混合气体的0.5v％，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，通过EDS分析粉末中氮气的含量为0.21wt％。

实施例2

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1750±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出由氮气和氩气的混合气流冲击所述金属液流，气流的压力为2.2MPa，氮气占混合气体的10.0v％，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，通过EDS分析粉末中氮气的含量为1.16wt％。

实施例3

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1800±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出由氮气和氩气的混合气流冲击所述金属液流，气流的压力为2.0MPa，氮气占混合气体的20.0v％，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，通过EDS分析粉末中氮气的含量为1.56wt％。

对比例1

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1800±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出氩气气流冲击所述金属液流，压力为2.0MPa，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末。

对比例2

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1800±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出由氮气和氩气的混合气流冲击所述金属液流，气流的压力为2.0MPa，氮气占混合气体的50v％，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，通过EDS分析粉末中氮气的含量为1.94wt％。

对比例3

Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si按照1.0∶1.0∶2.0∶1.0∶1.0的摩尔比准备金属原料粉末，在熔炼炉中采用感应线圈加热，采用真空熔炼(真空度为1.0×10^-2Pa)控制熔炼的熔液温度为1800±20℃，时间为30min，然后通过熔液出口形成直径为3mm的金属液流，通过气雾化喷嘴喷出氮气气流冲击所述金属液流，压力为2.0MPa，冷却后得到球形的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，通过EDS分析粉末中氮气的含量为2.31wt％。

将实施例1-3以及对比例1-3制备的CoCrTiAlSi高熵合金粉末采用热压烧结仪进行烧结。烧结在真空气氛下进行，真空度为20Pa，烧结压力为30MPa，烧结温度为1450℃，测温方式为热电偶测温，升温速率为15℃/min，保温时间30min。采用HT-1000高温摩擦磨损试验机测量上述热压烧结材料的高温磨损情况。实验采用球-盘接触方式，试样尺寸为20mm×5mm，采用Si₃N₄球作为对偶件，直径为5mm，载荷为5N，测试时间分别为20℃、300℃、500℃、700℃，时间均为30min，测试的磨损体积(10^-6mm³N^-1m^-1)如表1所示。

表1

	20℃	300℃	500℃	700℃
					实施例1	5.6	7.1	3.4	3.1
实施例2	4.9	6.3	3.0	2.7
					实施例3	6.2	7.6	3.8	3.4
对比例1	18.3	23.7	10.9	10.4
					对比例2	9.7	11.4	6.9	6.5
对比例3	10.8	13.2	7.3	6.8

Claims (7)

1.一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用金属元素粉熔炼制备CoCrTiAlSi母合金，所述CoCrTiAlSi母合金中，Co∶Cr∶Ti∶Al∶Si的摩尔比为0.8～1.2∶0.8～1.2∶1.8～2.0∶0.8～1.2∶0.8～1.2；

(2)在雾化设备中所述母合金形成金属液流，雾化介质气流的压力为1.5～5.0MPa，并且所述雾化介质气流为氩气与氮气的混合气体，并且氮气占混合气体的比为0.5～20.0v％；

(3)所述金属液流被气雾化喷嘴产生的雾化介质气流破碎成细小的金属液滴，冷却后得到球形的高熵合金粉末。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中熔炼在真空气氛或氩气保护气氛下进行，熔炼温度为1680～1850℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)采用感应熔炼工艺。

4.一种CoCrTiAlSi高熵合金粉末，其特征在于：由权利要求1～3任一项所述的制备方法制备得到。

5.根据权利要求4所述的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，其特征在于：所述高熵合金粉末的粒径小于74μm。

6.根据权利要求4所述的CoCrTiAlSi高熵合金粉末，其特征在于：所述高熵合金粉末中氮含量为0.21～1.56wt％。

7.一种烧结材料，其特征在于：由权利要求4～6任一所述的高熵合金粉末通过热压烧结工艺制备得到。

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