一种含硫自润滑高熵合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含硫自润滑高熵合金，该自润滑高熵合金的成分为MxCoCrFeNiSy，M为Al、Ti、Mo、V、Nb、Mn、W、Zr中的一种或几种，其含量的原子比例x为0~2，S元素的原子比例y取值为0.05~3，其他元素的原子比例均为0.5~1.5。本发明专利技术还公开了该自润滑高熵合金的制备方法。本发明专利技术公开的含硫自润滑高熵合金兼具良好的力学性能和宽温域（室温~800℃）自润滑性能，并且成本低，可靠性高，可用于贫油、高温、重载等工况中难以采用常规油脂润滑的机械设备上，在冶金、矿山、能源、汽车、军事工业和核工业等领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种含硫自润滑高熵合金及其制备方法
本专利技术涉及一种含硫自润滑高熵合金及其制备方法，属于高熵合金和减磨抗磨材料领域。
技术介绍
我国台湾科学家叶钧蔚教授在1995年首先提出了高熵合金的概念，经过二十余年的发展，高熵合金的设计理论和制备技术目前已经趋于完善。与常规金属材料不同，高熵合金通常由多种等原子比或接近等原子比的金属（或非金属）元素组成，具有简单的面心立方（FCC）、体心立方（BCC）或FCC+BCC的相结构，但具有常规金属材料难以比拟的强度、硬度、抗辐射、耐高温、抗腐蚀和耐磨损等优良的性能，是重载、高温、强冲击等苛刻工况中的最佳候选材料，在矿山、冶金、汽车、航空航天、装备制造、军事工业和核工业等领域中具有良好的应用前景。虽然高熵合金一般情况下均具有良好的耐磨性，但其在自配副或与其他金属材料配副时摩擦系数通常较高，在贫油、重载、高速和高温等工况中难以提供良好的润滑，容易造成运动部件失效，引起灾难性的后果。因此，开发具有良好自润滑性能的高熵合金具有重要的工程应用价值。一般情况下，在常规合金中S元素被认为是一种有害的杂质元素。因为S元素活性较高，容易与合金中的Ti、Mn、Nb和Cr等元素发生反应，在合金中形成金属硫化物。而金属硫化物的强度一般较低，塑性和韧性较差，合金中形成硫化物时会显著恶化其力学性能，尤其是对塑性和韧性的恶化作用最为明显。因此，在常规合金中，S含量一般被严格控制在极低的水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服常规高熵合金摩擦学性能较差的问题，提供一种含硫自润滑高熵合金及其制备方法，该自润滑高熵合金兼具良好的力学性能和宽温域自润滑性能，在贫油、高温和重载等工况中具有良好的应用前景。一种含硫自润滑高熵合金，其特征在于该自润滑高熵合金的成分为MxCoCrFeNiSy，M为Al、Ti、Mo、V、Nb、Mn、W、Zr中的一种或几种，其含量的原子比例x为0~2，S元素的原子比例y取值为0.05~3，其他元素的原子比例均为0.5~1.5。选用MxCoCrFeNi系列高熵合金作为自润滑高熵合金的基体材料，主要基于以下方面的原因：首先，该系列高熵合金强度、塑性和韧性等力学性能优异，能够有效降低S元素的加入对合金力学性能的恶化程度；其次，加入的S元素能够与合金中的Ti、Cr、Mo、W等元素反应，形成具有良好减摩抗磨作用的金属硫化物；第三，该系列高熵合金在高温环境中表面形成的氧化物具有良好的润滑性能，能够进一步改善合金的高温摩擦学性能。所述含S自润滑高熵合金主要由FCC、BCC或FCC+BCC的高熵固溶体相和金属与硫的化合物相组成。所述金属与S的化合物相主要包括TiS、TiS2、MoS2、VS、WS2、NbS2、MnS2、FeS、FeS2、ZrS、NiS、NiS2、Ni3S2、CoS、CoS2、CrS、Cr2S3、Cr3S4和CrxSy等其中的一种或几种。所述含S自润滑高熵合金的制备方法，其特征在于采用的制备方法为熔炼法或粉末冶金法。所述熔炼法为感应熔炼、电弧熔炼、等离子熔炼、电子束熔炼、电磁悬浮熔炼或激光熔覆。所述粉末冶金法为无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、感应烧结或微波烧结。所述制备含硫自润滑高熵合金的原料主要包括Co、Cr、Fe、Ni、Al、Ti、Mo、V、Nb、Mn、W、Zr、S、TiS、TiS2、MoS2、VS、WS2、NbS2、MnS2、FeS、FeS2、ZrS、NiS、NiS2、Ni3S2、CoS、CoS2、CrS、Cr2S3、Cr3S4等的粉末或块体，也包含中间合金，如Ni-Cr、Ni-Co、Co-Cr-Ni、Fe-Ni、Fe-Cr等的粉末或块体。所述采用熔炼法制备含S自润滑高熵合金的方法，其特征在于该方法主要包括如下步骤：1）按照含硫自润滑高熵合金的成分配比量取原材料；2）将原材料装入熔炼设备，反复熔炼3~5次，使合金的成分达到均匀；3）冷却后出炉，去除表面杂质，获得含硫自润滑高熵合金成品。所述采用粉末冶金法制备含S自润滑高熵合金的方法，其特征在于该方法主要包括如下步骤：1）按照含硫自润滑高熵合金的成分配比量取原料粉末；2）将原料粉末混合均匀；3）预压成型或直接装入石墨模具在烧结设备上进行烧结；4）升温速率5~200℃/min，烧结温度600~1800℃，保温时间5~120min，加压烧结时压力为5~40MPa，烧结完成后随炉冷却；5）烧结完成后，去除表面杂质，获得含硫自润滑高熵合金成品。在制备技术方面，如果采用熔炼法制备含S高熵合金，则低熔点的S元素容易被烧损，造成S元素的含量偏离设计值，而且硫化物容易偏聚。此外，高温熔炼时容易形成SO2等硫化物气体，对环境造成污染。因此，为了避免S元素的烧损并获得均匀的组织，熔炼时优先选用FeS、FeS2、NiS等熔点较高的硫化物代替纯S元素作为原料。如果采用粉末冶金技术，可以选用纯S元素作为原料，也可以采用FeS、FeS2、NiS等熔点较高的硫化物作为原料。同时，为了获得均匀的组织结构，优先选用粒径小于150微米的原料粉末。金属硫化物一般都具有良好的摩擦学性能，在贫油、重载、高速和高温等工况中显示出优异的减摩抗磨特性。基于此，本专利技术通过在高熵合金中添加S元素，在合金组织中形成大量的具有减摩抗磨作用的金属硫化物。一方面，硫化物的形成解决了高熵合金摩擦学性能较差的问题；另一方面，得益于高熵合金基体良好的强韧性，克服了硫化物的形成对合金力学性能的恶化作用，从而获得了兼具良好力学和摩擦学性能的自润滑高熵合金。在设计思路方面，本专利技术公开的这种含S自润滑高熵合金是将具有良好强韧性的高熵合金和具有良好自润滑性能的金属硫化物进行了有机结合，这种设计思路在国内外公开的文献资料中均未见报道；在材料性能方面，这种自润滑高熵合金在宽温域内兼具良好的摩擦学和力学性能，并且制备技术简单，可靠性高，具有良好的工业化应用前景。本专利技术公开的含硫自润滑高熵合金兼具良好的力学性能和宽温域（室温~800℃）自润滑性能，并且成本低，可靠性高，可用于贫油、高温、重载等工况中难以采用常规油脂润滑的机械设备上，在冶金、矿山、能源、汽车、军事工业和核工业等领域具有良好的应用前景。附图说明图1为电弧熔炼法制备的CoCrFeNiS0.25自润滑高熵合金的X射线衍射（XRD）谱图。图2为电弧熔炼法制备的CoCrFeNiS0.25自润滑高熵合金显微组织的背散射电子像。图3为电弧熔炼法制备的CoCrFeNiS0.25自润滑高熵合金在室温至800℃范围内的摩擦系数。图4是应用粉末冶金法制备的Al0.2CoCrFeNiS0.75自润滑高熵合金的XRD谱图。图5是应用粉末冶金法制备的Al0.2CoCrFeNiS0.75自润滑高熵合金显微组织的背散射电子像。图6为粉末冶金法制备的Al0.2CoCrFeNiS0.75自润滑高熵合金在室温至800℃范围内的摩擦系数。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例是在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1选用Co、Cr、Fe、Ni和FeS块体材料作为原料，应用非自耗真空电弧熔炼技术制备CoCrFeNiS0.25自润滑高熵合金。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含硫自润滑高熵合金，其特征在于该自润滑高熵合金的成分为MxCoCrFeNiSy，M为Al、Ti、Mo、V、Nb、Mn、W、Zr中的一种或几种，其含量的原子比例x为0 ~ 2，S元素的原子比例y取值为0.05 ~ 3，其他元素的原子比例均为0.5 ~ 1.5。

【技术特征摘要】
1.一种含硫自润滑高熵合金，其特征在于该自润滑高熵合金的成分为MxCoCrFeNiSy，M为Al、Ti、Mo、V、Nb、Mn、W、Zr中的一种或几种，其含量的原子比例x为0~2，S元素的原子比例y取值为0.05~3，其他元素的原子比例均为0.5~1.5。2.如权利要求1所述的自润滑高熵合金，其特征在于所述含硫自润滑高熵合金主要由FCC、BCC或FCC+BCC的高熵固溶体相和金属与硫的化合物相组成。3.如权利要求2所述的自润滑高熵合金，其特征在于所述金属与硫的化合物相为TiS、TiS2、MoS2、VS、WS2、NbS2、MnS2、FeS、FeS2、ZrS、NiS、NiS2、Ni3S2、CoS、CoS2、CrS、Cr2S3、Cr3S4和CrxSy中的一种或几种。4.如权利要求1至3中任一项所述含硫自润滑高熵合金的制备方法，其特征在于采用的制备方法为熔炼法或粉末冶金法。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述熔炼法为感应熔炼、电弧熔炼、等离子熔炼、电子束熔炼、电磁悬浮熔炼或激光熔覆。6.如权利要求4所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟军虎，张爱军，韩杰胜，苏博，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62