NbZrTiTa难熔高熵合金粉末制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末技术

本发明专利技术公开了NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末，包括以下步骤：将原料Nb、Zr、Ti和Ta单质粉末混合，然后添加无水乙醇和/或正庚烷，进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末。本发明专利技术的制备方法步骤简单、可量化重复操作、出粉率高，制备出的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末组织及元素分布均匀、晶粒细小，呈单相体心立方(BCC)结构。

Preparation of NbZrTiTa Refractory High Entropy Alloy Powder and NbZrTiTa Refractory High Entropy Alloy Powder

The invention discloses a preparation method of NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder and NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder, including the following steps: mixing raw materials Nb, Zr, Ti and Ta powder, then adding anhydrous ethanol and/or n-heptane, high-energy ball milling, and obtaining single-phase BCC structure NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder. The preparation method of the present invention has simple steps, quantifiable repetitive operation and high powder yield. The prepared NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder has uniform distribution of elements, fine grain and single-phase body-centered cubic (BCC) structure.

【技术实现步骤摘要】
NbZrTiTa难熔高熵合金粉末制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末
本专利技术涉及高熵合金领域，尤其涉及一种NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末。
技术介绍
高熵合金是近年发展起来的一种新型合金。与传统合金以一种或两种元素为主要组元不同，高熵合金是指由四种以上分子量相等或相近的组元形成的合金，其中每种元素的含量远大于5％且不高于30％，合金具有各主元随机混溶的单相固溶体结构，这种结构具有很高的混合熵，所以倾向于形成单相或多相简单结构的高熵固溶体，而不是生成金属间化合物等复杂结构。此种新型合金具有热力学上的高混合熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的扩散迟滞效应以及性能上的鸡尾酒效应。现有的研究结果表明，高熵合金具有一些优于传统合金的性能，例如：高强度、高硬度、耐回火软化、高耐磨性、良好的耐腐蚀性和特殊的磁性能等，是材料学科中继非晶合金之后又一个全新的前沿研究领域。难熔金属高熵合金是基于发展高温结构金属而开发的新型高熵合金体系。2010年美国空军研究实验室Senkov在“Intermetallics”杂志上公开发表了第一篇难熔高熵合金的文章“Refractoryhigh-entropyalloys”。难熔高熵合金的组元元素为难熔金属元素，包括Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W、Zr，以及非难熔金属元素Al，主要体系有MoNbTaW、HfNbTaZr、CrMoNbTa和CrNbVZr等。目前，关于难熔高熵合金力学性能的研究大多集中于难熔高熵合金的硬度和压缩性能。难熔高熵合金硬度普遍较大，可在宽温域内保持高强度，MoNbTaW和MoNbTaVW两种含W的合金具有良好的高温力学性能，在2000K高温下仍可保持较高的强度。目前已公开报道的难熔高熵合金铸态下大多呈树枝晶组织和等轴晶组织，相结构为一个或两个BCC固溶相，含有Cr、V元素的合金除BCC主相外还会出现Laves相。难熔元素性质之间较大差异性极大丰富了难熔高熵合金的性能。难熔高熵合金的成功开发为高熵合金的研究提供了新思路。目前，难熔高熵合金的制备以真空电弧熔炼法为主。然而，高熔点NbZrTiTa高熵合金的制备过程中却存在一系列难点：由于合金的熔点较高，传统的熔铸法必然要克服加热温度高的难题，工艺难度较大；为了使成分均匀，需要经过多次重熔；同时，熔液凝固过程中不可避免地会产生枝晶偏析等成分不均匀现象，通过真空电弧熔炼法制备出的NbZrTiTa高熵合金虽展现出了极佳的力学性能及在含能结构材料领域巨大的应用潜力，但也存在着一系列无法克服的缺点：熔炼出的产品均匀样品的极限尺寸只有40mm左右并且有无法消除的缩孔。这些缺点都制约了NbZrTiTa难熔高熵合金性能的进一步提高及实际应用。而采用常规的单质粉末进行烧结也无法制备此类合金。近年来，国内外学者开始将机械合金化法用于高熵合金的制备。机械合金化是一种通过不断冷焊、断裂、再冷焊的过程使粉末在固态下实现合金化的高能机械球磨技术。因为机械合金化是一种固态加工工艺，所以可以显著降低材料的制备温度，克服熔点相差较大的原材料难以熔炼的问题，消除从液体到固体的转变过程中的枝晶偏析。机械合金化还具有成分可调范围大的特点，可以制备一些厌溶合金或过饱和固溶体。为了获得块体材料，机械合金化得到的金属粉末还必须经过热压、热等静压、放电等离子烧结等后续烧结工艺以获得致密的块体。相比于传统的熔铸法，粉末冶金法工艺简单，且制备出的合金晶粒更加细小、组织更加均匀，综合力学性能甚至超过传统熔铸法制备出的合金。例如：采用机械合金化和放电等离子烧结法制备出的Al0.6CoNiFeTi0.4合金的压缩屈服强度和断裂强度分别达到2732MPa和3172MPa，塑性变形量达到了10.1％，表现出良好的综合力学性能(MaterialsScience&EngineeringA,565(2013):439–444)。然而，由于NbZrTiTa的组成元素均为高熔点难熔金属，这些金属均具有硬度高、塑性差、扩散系数低等特点，因此前述方法并不能用于NbZrTiTa块体合金的制备。目前关于高熔点高熵合金的文献十分有限，高熔点高熵合金NbZrTiTa的制备方法也仅限于真空电弧熔炼法。若能采用粉末冶金法制备NbZrTiTa合金，则不但可显著降低合金的制备温度，降低能耗，简化其制备工艺，而且能消除枝晶偏析，使合金的晶粒细化、成分均匀，从而将使其力学性能进一步改善，具有非常重要的科学和工程意义。所以作为粉末冶金法制备高熵合金的第一步也是最关键一步，通过机械合金化制备NbZrTiTa难熔高熵合金意义重大。本专利技术对于发展高熵合金的制备技术，提高高熵合金的力学性能，促进高熵合金的研究和应用都将具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供NbZrTiTa难熔点高熵合金粉末的制备方法，该方法步骤简单、出粉率高，制备出的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末组织均匀、晶粒细小，呈单相体心立方(BCC)结构。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，包括以下步骤：将原料Nb、Zr、Ti和Ta单质粉末混合，然后添加物质无水乙醇和/或正庚烷，进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末。上述的技术方案中，经混合的各单质粉末在高能球磨过程中，逐渐实现合金化，最后形成单相BCC结构的合金粉末，此时，合金化过程完成。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，按质量比百分比计，所述无水乙醇和/或正庚烷的添加量为所述Nb、Zr、Ti、Ta单质粉末质量总和的0.3％～30％。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，所述高能球磨的球磨罐和磨球材质为不锈钢。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，所述高能球磨的工艺条件为：球料比为8︰1～12︰1，球磨转速为250r/min～350r/min。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，所述高能球磨的时间为40～85h。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，当添加的物质为无水乙醇时，所述高能球磨的时间为50～85h；当添加的物质为正庚烷时，球磨时间为40～75h。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，当添加的物质为无水乙醇时，所述高能球磨的时间为50～75h；当添加的物质为正庚烷时，球磨时间为40～55h。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，按摩尔比计，所述Nb、Zr、Ti、Ta单质粉末的比例Nb︰Zr︰Ti︰Ta为1︰1︰1︰1，即优选为等摩尔比，更有利于高熵合金单相固溶体结构的形成，也可以为非等摩尔比。上述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法中，优选地，所述混合、高能球磨在惰性气体保护下进行。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的制备方法制备得到的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末，其结构为单相BCC结构，晶粒尺寸达到几十纳米，即为纳米级别。本专利技术通过在混合粉末中添加无水乙醇或正庚烷，再进行高能球磨制备出单相体心立方(BCC)结构的合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料Nb、Zr、Ti和Ta单质粉末混合，然后添加物质无水乙醇和/或正庚烷，进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末。

【技术特征摘要】
1.NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料Nb、Zr、Ti和Ta单质粉末混合，然后添加物质无水乙醇和/或正庚烷，进行高能球磨，得到单相BCC结构的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末。2.根据权利要求1所述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述无水乙醇和/或正庚烷的添加量为所述Nb、Zr、Ti、Ta单质粉末质量总和的0.3％～30％。3.根据权利要求1所述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的球磨罐和磨球材质为不锈钢。4.根据权利要求1所述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的工艺条件为：球料比为8︰1～12︰1，球磨转速为250r/min～350r/min。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的NbZrTiTa难熔高熵合金粉末的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宇，李顺，白书欣，乔娅婷，叶益聪，朱利安，张虹，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43