CN112831710A - 一种超硬耐磨高熵合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超硬耐磨高熵合金及其制备方法，本发明的高熵合金包括基础组元和强化组元，基础组元成分为Nb、Ta、Mo和W四种元素，强化组元为Fe、Co和Cr中的一种或两种元素，在真空条件下使用电弧熔炼法制备得到高熵合金。本发明制备得到的高熵合金成分均匀，为单一BBC固熔体结构，结构稳定；具有高硬度，硬度可达1000‑1200HV；具有较好的耐磨性，与钢相比提高了5倍。

Description

一种超硬耐磨高熵合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型高熵合金及其制备方法，具体地说，涉及一种超硬、耐磨高熵合金材料及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域。

背景技术

随着科技的飞速发展，在金属材料行业对材料的性能要求也越来越高。高熵合金（High Entropy Alloys）是以五种或五种以上金属元素，各元素成分等摩尔比或接近等摩尔比，打破传统合金以一种元素为主元的设计理念，具有简单固溶体结构，经熔炼技术或其他制备方法得到的新型合金材料。金属元素的种类增加提高了多组元合金内部整体混乱程度，同时能够提高系统混合熵。高熵合金具备高强度，高硬度，耐磨、耐腐蚀、耐高温等一系列优于传统合金的优异特性，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。特别的， senkov等开发的NbTaMoW合金，其1600 ^o C仍具有600MPa的强度，是一种性能十分优异的耐高温材料。然而， NbTaMoW合金的硬度偏低，只有445HV, 耐磨性有待进一步提升。

合金化是提高合金性能的一种有效方法。固溶强化是NbTaMoW合金主要的强化机制，通过合金化，添加与合金组元原子半径差异较大的合金化元素，可增大晶格畸变，能够显著提高固溶强化的效果，开发出硬度更大、更耐磨的高熵合金材料。

发明内容

本发明提供一种超硬耐磨的新型多主元高熵合金材料及其制备方法。

本发明技术方案为：一种电弧熔炼超硬耐磨高熵合金的制备方法，高熵合金包括基础组元和强化组元。基础组元成分为Nb、Ta、Mo和W四种元素，强化组元为Fe、Co和Cr中的一种或两种元素，添加强化组元如Fe、Co和Cr等元素，因强化组元的原子半径较小，添加后能形成大的晶格畸变，能够显著提高固溶强化的效果，设计出硬度更大及更耐磨的高熵合金材料。

本发明提供的一种超硬耐磨高熵合金，包括基础组元和强化组元。基础组元成分为Nb、Ta、Mo和W四种元素，强化组元成分为Fe、Co或者Cr，使用制备高熵合金的原料纯度均不低于99.9%。

本发明的一种超硬耐磨高熵合金，基础组元同时包含Nb、Ta、Mo、W四种元素，四种元素Nb、Ta、Mo、W为等原子比。

本发明的一种超硬耐磨高熵合金，强化组元为Fe、Co或者Cr中的一种或者两种元素。

本发明的一种超硬耐磨高熵合金，基础组元的摩尔百分比为70-90%，所述强化组元的摩尔百分比为10-30%。

本发明提供了上述所述高熵合金的制备方法，其特征在于采用电弧熔炼法，包括以下步骤：以块状铌、钽、钼、钨、铁、钴、镍和铬块状单质为原料，通过砂纸打磨块状原料表面，去除表面氧化物，在水和酒精中超声清洗， 80 ^o C干燥2 h后备用。按照各元素摩尔比称取预处理的金属小块体，进行原料配置；将配好的原料按元素性能差异，分组熔炼，最后将分组熔炼的金属进行一次总的熔炼。

以上制备方法中，所述的分组熔炼为强化组元与Nb同时熔炼，Ta、Mo同时熔炼，然后将熔炼后的金属和W进行一次总的熔炼。将所有原料按照设定顺序进行熔炼，达到降低烧损的要求，使其和加入原料的成分基本一致。

以上制备方法中，金属熔炼时，熔炼参数设置值真空度为2～2.5×10^-3Pa，冲入惰性气体至-0.04MPa。熔炼Nb-Fe合金熔炼电流为250A~450A，Mo-Ta合金熔炼电流为400A~700A，总的熔炼时熔炼电流为400A~700A。

与现有技术比较，本发明的有益效果是。

1. 具有高硬度的特点，本发明中高熵合金材料具有高硬度，硬度可达1000-1200HV。与现有高熵合金TaNbWMo硬度445 HV比较，高2.25-2.7倍。

2. 具有较好的耐磨性，本发明中高熵合金材料具有较好的耐磨性，经过摩擦磨损实验，得到高熵合金的耐磨性与钢相比提高了5倍。

3. 所述制备方法，成分均匀，为单一BBC固熔体结构，结构稳定。

4. 制备合金的过程中采用分组电弧熔炼，防止挥发耗损，制备的合金成分烧损小，制备的合金成分与配置成分基本一致。

附图说明

图1 为和WTaMoNbFe高熵合金的金相图片。

图2 为WTaMoNbFe高熵合金的XRD图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

以Ta、Nb、W、Mo、Fe单质片体为原料，纯度>99.9％，按照摩尔百分比为Ta：Nb：W：Mo：Fe =20%:20%:20%:20%:20%进行配料。配料前，先用砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，并于水和酒精中超声清洗，随后于80 ^o C干燥2h备用。使用电弧熔炼炉进行高温熔炼，首先熔炼Nb和Fe，将这两种单质块体混合放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，先抽真空，当真空度达到3.5×10^-3Pa后充入惰性气体至-0.05MPa进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为350A，熔炼结束后,经快速水冷后进行翻锭，反复熔炼1~3次后得到内部组织结构均匀Nb-Fe合金。采用同样的方法，于相同条件下熔炼混合的Mo、Ta单质块体，起弧电流为250A，熔炼电流为500A，得到Mo-Ta合金。最后将Nb-Fe合金、Mo-Ta合金及W单质块体混合熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为700A，得到超硬耐磨高熵合金铸锭。熔炼结束以后，于水冷铜坩埚中冷却获得高熵合金材料铸锭。

将制得试样进行摩擦磨损实验，得到TaNbWMoFe高熵合金材料耐磨性，与钢相比提高了5倍。

将制得试样进行显微硬度测试实验， TaNbWMoFe高熵合金材料硬度可达到1000HV。

实施例2：

以Ta、Nb、W、Mo、Co单质片体为原料，纯度>99.9wt％，按照摩尔百分比为Ta：Nb：W：Mo：Co=20%:20%:20%:20%:20%进行配料。配料前，先用砂纸打磨原料表面，去除表面氧化物，并于水和酒精中超声清洗，随后于80 ^o C干燥2h后备用。使用电弧熔炼炉进行高温熔炼，首先熔炼Nb和Co，将这两种单质块体混合放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，先抽真空，当真空度达到2.5×10^-3Pa以下后充入惰性气体至-0.04MPa进行合金熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为350A，熔炼结束后,经快速水冷后进行翻锭，反复熔炼1~3次后得到内部组织结构均匀Nb-Co合金。采用同样的方法，于相同条件下熔炼混合的Mo、Ta单质块体，起弧电流为250A，熔炼电流为500A，得到Mo-Ta合金。最后将Nb-Co合金、Mo-Ta合金及W单质块体混合熔炼，起弧电流为250A，熔炼电流为700A，得到超硬耐磨高熵合金铸锭。熔炼结束以后，于水冷铜坩埚中冷却获得高熵合金材料铸锭。

将制得试样进行摩擦磨损实验，得到TaNbWMoCo高熵合金材料耐磨性，与钢相比提高了4.8倍。

将制得试样进行显微硬度测试实验， TaNbWMoCo高熵合金材料硬度可达到1050HV。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种超硬耐磨高熵合金，其特征在于，所述高熵合金包括基础组元和强化组元。基础组元成分为Nb、Ta、Mo和W，强化组元成分为Fe、Co或者Cr，使用制备高熵合金的原料纯度均不低于99.9%。

2.如权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，所述基体组元同时包含Nb、Ta、Mo、W四种元素，四种元素Nb、Ta、Mo、W为等原子比。

3.如权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，所述强化组元为Fe、Co或者Cr中的一种或者两种元素。

4.如权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，所述基体组元的摩尔百分比为70-90%，所述强化组元的摩尔百分比为10-30%。

5.如权利要求1-4任一所述的高熵合金的制备方法，其特征在于采用电弧熔炼法，包括以下步骤：以块状铌、钽、钼、钨、铁、钴和铬单质为原料，通过砂纸打磨块状原料表面，去除表面氧化物，在水和酒精混合溶液中超声清洗， 80 ^oC干燥2 h后备用。按照各元素原子比称取预处理的金属小块体，进行原料配置；将配好的原料按元素性能差异，分组熔炼，最后将分组熔炼的合金进行一次总的熔炼。

6.如权利要求5所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，所述的分组熔炼为强化组元和Nb同时熔炼，Ta和Mo同时熔炼，然后将熔炼后的金属和W进行一次总的熔炼。

7.如权利要求5所述的高熵合金的制备方法，其特征在于，熔炼参数设置值为真空度为2～2.5×10^-3Pa，充入惰性气体至-0.04MPa。熔炼加强组元金属和Nb合金，熔炼电流为250A~450A；Mo-Ta合金熔炼电流为400A~700A，整体熔炼时熔炼电流为400A~700A。

8.如权利要求1-7所述的高熵合金及高熵合金制备方法，其特征在于，制备的高熵合金可应用于制备刀具和模具以及机械产品再制造等领域。

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