一种高阻尼高熵合金材料及其制备方法技术

一种高阻尼高熵合金材料及其制备方法，所述制备方法步骤如下：S1、配料：按如下原子百分配比将单质元素粉末按比例混合：铁：50～60％，锰：15～20％，钴：5～10％，铬：15～20％；S2、机械合金化：对步骤S1得到的混合粉末进行机械合金化，得到合金混合粉末；S3、放电等离子烧结：将合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中，炉体抽真空，以70～120℃/min的升温速率升温至烧结温度900～1050℃，在升温的同时对粉末施加压力，烧结压力值为30～‑50MPa；在此烧结温度和烧结压力下保持5～8min，然后随炉冷却。本发明专利技术方法制备的合金同时具备高的阻尼性能、室温强度和宽应变振幅区域，应用环境广泛。

A High Damping and Entropy Alloy Material and Its Preparation Method

A high damping and high entropy alloy material and its preparation method are described in the following steps: S1, ingredients: mixing elemental powders proportionally according to the following atomic percentage ratio: iron: 50-60%, manganese: 15-20%, cobalt: 5-10%, chromium: 15-20%; S2, mechanical alloying: mechanical alloying of the mixed powders obtained by B to obtain alloy mixed powders; 3. Spark plasma sintering: Alloy powder mixture is put into the spark plasma sintering furnace, the furnace body is vacuum-pumped, and the sintering temperature is 900-1050 (?) at the heating rate of 70-120 (?) C/min. At the same time, the sintering pressure is 30-50 MPa. The sintering temperature and sintering pressure are kept for 5-8 minutes, and then cooled with the furnace. The alloy prepared by the method of the invention has high damping performance, room temperature strength and wide strain amplitude region, and has wide application environment.

【技术实现步骤摘要】
一种高阻尼高熵合金材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高阻尼高熵合金材料及其制备方法，属于高熵合金材料

技术介绍
随着工业的快速发展，机器制造业发生了翻天覆地的变化。这一历史性的进步带动了交通、能源、建筑、航天等领域的快速进步。与此同时，相关的振动和噪音问题也日益突出，机械零部件在运转过程中产生的振动，特别是共振，严重影响机械部件寿命，降低了机械产品质量和仪器仪表精度。而振动过程中所产生的噪音也严重危害身体健康，已成为当今社会的三大公害之一。由此各行业对机器零件的要求愈发苛刻，突出表现在期望高速重载条件下零件保持高强度的同时，能够具有低损耗和长寿命的特点。但是，机械运行过程中产生的振动和噪声问题却日益突出，引起了人们的广泛重视，逐渐成为工业发达国家一项热门的研究课题。人们在生产实践中也发现了许多的减振降噪方法，主要有增加重量提高刚性、安装减振装置、屏蔽装置等，这些方法可以在一定程度上减小振动和噪音，但上述这些方法都只是从设计角度来考虑，往往使得其结构复杂化。在此基础上，阻尼合金应运而生。阻尼合金是一种能将振动机械能吸收并将之转化为热能耗散的新型功能材料，它利用阻尼材料在变形时把动能变成为热能的原理降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声。为了解决机械构件振动和噪声问题，科研人员在如何获得高阻尼合金材料的道路上不断探索。中国专利CN106282786B通过在铁锰合金中加入Nb显著改善了铁锰基合金阻尼性能；中国专利CN105238977A利用漂珠与合金界面反应提供了一类高阻尼镁合金的制备方法。但是以上方法主要关注合金的阻尼特性，没有兼顾合金各个方面的综合性能。因此亟需开发一种兼顾高阻尼和优异力学性能的合金，以满足工业的快速发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有高强高阻尼性能的高熵合金材料以及制备方法。该方法制备的合金材料具有纳米级晶体结构，同时具备高的阻尼性能、室温强度和宽应变振幅区域，应用环境广泛。本专利技术实现其专利技术目的首先提供了一种高阻尼高熵合金材料的制备方法，其步骤如下：S1、配料：按如下原子百分配比将单质元素粉末按比例混合：铁：50～60％，锰：15～20％，钴：5～10％，铬：15～20％；S2、机械合金化：对步骤S1得到的混合粉末进行机械合金化，得到合金混合粉末；S3、放电等离子烧结：将步骤S2得到的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中，炉体抽真空，以70～120℃/min的升温速率升温至烧结温度900～1050℃，在升温的同时对粉末施加压力，烧结压力值为30～50MPa；在此烧结温度和烧结压力下保持5～8min，然后随炉冷却。本专利技术高熵合金材料具备高阻尼原理是：一、在外在应力作用下，高熵合金特殊的无序固溶结构会引发结构松弛现象，形成阻尼峰，在此过程中引起的能量损耗为阻尼源之一，并且当合金结构的无序度越大时，阻尼性能则越优异，这主要取决于元素设计所决定的结构差异，本专利技术的元素设计及制备工艺获得的合金主要由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)两种无序固溶体相构成，可为优异的阻尼性能提供保障。二、本专利技术的合金是采用机械合金化结合放电等离子烧结成型(SPS)的方法制备的，由于合金化过程中粉末与球磨介质间的高能碰撞，导致粉末产生严重变形，大量晶体缺陷生成，包括高密度位错，孪晶以及空位等，粉末处于高度亚稳过饱和状态。而在快速烧结成型的过程中，晶体缺陷并不能完全消除，仍有大量缺陷存留于晶体结构之中，作为阻尼产生的源头之一，主要包括位错、形变孪晶等。三、在外部应力作用下，本专利技术合金材料的面心立方晶体(FCC)中的全位错容易分解为2个Shockley不全位错，进而形成层错，层错界面和位错在晶体内的移动会产生能量损耗，即阻尼。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在本专利技术中，通过合理的成分调控(比如，Mn含量的设定有利于相变的发生，会形成更多的FCC相，FCC相主导的高熵合金具有更优异的阻尼值和更好的塑性；Cr含量的设定可保证合金优异的腐蚀性能和综合力学性能)，设计出了能同时兼具优异的力学性能和阻尼性能的双相高熵合金材料；采用机械合金化结合放电等离子烧结的制备方法，可以获得纳米级晶体结构，使其力学性能远优于其他类型阻尼合金。本专利技术合金相比于其他类型阻尼合金，具有以下优点：1、FeMnCoCr高阻尼高熵合金由于其特殊的无序固溶体可同时兼具高强度和高阻尼性能，最大阻尼峰值优于现有绝大部分金属类阻尼合金；2、宽应变域：在本专利技术合金中，由于多种阻尼机制并存，导致其阻尼峰可以在很宽的应变范围内存在，这是其他类阻尼合金所不具备的特性，因此也具有更广的应用范围；3、本专利技术工艺简单，工作效率高，所用设备为常规通用设备，技术可控性强。进一步，本专利技术所述制备方法还包括步骤S4退火处理，具体包括将步骤S3制备的合金在气氛管式炉中，氮气作为保护气氛，以10～25℃/min的升温速率升温至退火温度700～1250℃，在退火温度下保持15～35min，然后取出空冷至室温。更进一步，本专利技术所述气氛管式炉升温速率为10～15℃/min，退火温度为900～1000℃，在退火温度下保持20～25min。退火处理可进一步对本专利技术所制备的高阻尼高熵合金材料性能进行优化。退火处理利用原子在高温下的扩散作用对缺陷数量以及缺陷组态进行了调控，进而降低了材料内应力，改善了材料综合力学性能与阻尼性能。合金材料退火后，晶粒长大，晶界分数降低，空位溶质原子等点缺陷密度降低，位错密度降低，同时位错形态发生变化，由位错聚集而形成的位错墙或位错胞消失，变为移动性更强的单一位错，上述引起的缺陷密度或缺陷形态的变化都将导致材料内应力降低。对力学性能而言，退火后的材料强度降低但塑性增加，这主要归因于晶体材料缺陷以及内应力降低，位错阻碍减少，使之更容易发生变形。退火温度越高，强度越低，塑性越好。对阻尼性能而言，点缺陷密度降低以及位错胞等阻碍位错移动的因素减少，导致位错或者层错等阻尼源更容易发生移动，即能量损耗越多，所以阻尼性能在退火后更为优异。另一方面晶界分数的降低也使位错移动更为容易，综上因素，退火处理可大大提高材料的阻尼性能。本专利技术针对不同退火温度、退火时间进行了实验，发现阻尼变化趋势并不单调，当退火温度比较低时，缺陷数量仍然很多，材料内应力降低明显，对位错等阻尼源移动的阻碍依旧很大，所以性能提升不大；当温度过高时，虽然点缺陷大量消失内应力也大幅降低，但是也会导致位错大量被消除，即阻尼源减少，所以阻尼性能呈现出降低的趋势。实验验证，上述优选退火温度可取得更为优异的阻尼性能。进一步，本专利技术所述步骤S1中原子百分配比为：铁：55～60％，锰：17～20％，钴：5～8％，铬：15～18％，所述单质元素粉末均为氩气雾化粉末。更进一步，本专利技术所述步骤S1中原子百分配比为：铁：60％，锰：20％，钴：5％，铬：15％，所述单质元素粉末均为氩气雾化粉末。实验验证，选用上述范围内的合金元素成分配比所制备出的高熵合金具有合理的显微结构特征，可以拥有优异的力学性能与阻尼性能。进一步，本专利技术所述步骤S2对步骤S1得到的混合粉末进行机械合金化，得到合金混合粉末的具体操作是：将步骤S1得到的混合粉末放入不锈钢球磨罐并在罐内充入保护气体氩气；再将球磨罐放入行星球磨机中，以氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高阻尼高熵合金材料的制备方法，其步骤如下：S1、配料：按如下原子百分配比将单质元素粉末按比例混合：铁：50～60％，锰：15～20％，钴：5～10％，铬：15～20％；S2、机械合金化：对步骤S1得到的混合粉末进行机械合金化，得到合金混合粉末；S3、放电等离子烧结：将步骤S2得到的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中，炉体抽真空，以70‑120℃/min的升温速率升温至烧结温度900～1050℃，在升温的同时对粉末施加压力，烧结压力值为30‑50MPa；在此烧结温度和烧结压力下保持5‑8min，然后随炉冷却。

【技术特征摘要】
1.一种高阻尼高熵合金材料的制备方法，其步骤如下：S1、配料：按如下原子百分配比将单质元素粉末按比例混合：铁：50～60％，锰：15～20％，钴：5～10％，铬：15～20％；S2、机械合金化：对步骤S1得到的混合粉末进行机械合金化，得到合金混合粉末；S3、放电等离子烧结：将步骤S2得到的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中，炉体抽真空，以70-120℃/min的升温速率升温至烧结温度900～1050℃，在升温的同时对粉末施加压力，烧结压力值为30-50MPa；在此烧结温度和烧结压力下保持5-8min，然后随炉冷却。2.根据权利要求1所述的高阻尼高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括步骤S4退火处理，具体包括将步骤S3制备的合金在气氛管式炉中，氮气作为保护气氛，以10～25℃/min的升温速率升温至退火温度700～1250℃，在退火温度下保持15～35min，然后取出空冷至室温。3.根据权利要求2所述的高阻尼高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述气氛管式炉升温速率为10～15℃/min，退火温度为900～1000℃，在退火温度下保持20～25min。4.根据权利要求1所述的高阻尼高熵合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中原子百分配比为：铁：55～60％，锰：17～20％，钴：5～8％，铬：15～18％，所述单质元素粉末均为氩气雾化粉末。5.根据权利要求4所述的高阻尼...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐轶，陈强，周叔强，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51