一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料及制备方法，所述复合材料包括增强相钨颗粒与基体高熵合金，由金属热还原法原位生成，其制备方法包括：将钨的氧化物、包含高熵合金主元元素的原料、以及铝粉混合获得铝热剂；将铝热剂进行铝热反应，分层静置得到底层钨/高熵合金复合熔体与上层氧化铝熔渣，将钨/高熵合金复合熔体分离。本发明专利技术采用一步金属热还原法即可制备得到高体积分数的钨颗粒增强高熵合金基复合材料，制备过程中能耗低、步骤简单、易于操作。本发明专利技术制备的钨颗粒增强高熵合金基复合材料具有增强相分布均匀、致密度高、强度高、塑性好、耐磨性能和耐腐蚀性能良好等特点，是一种综合性能优异的复合材料。

A kind of in-situ tungsten particle reinforced high entropy alloy matrix composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料及制备方法
本专利技术属于合金材料领域，尤其涉及一种含钨高熵合金基复合材料及其制备方法。
技术介绍
与传统的基于单一主元的合金相比，高熵合金是由多种元素以等摩尔比或接近等摩尔比组成，每种元素含量介于5%-35%之间。高熵合金由于其独特的高熵效应、严重的晶格畸变效应、滞后扩散效应和“鸡尾酒效应”，具有组织、结构与性能可调性以及优异的性能，如高硬度、高强度、耐高温性能、耐腐蚀、耐磨损性能等，逐渐成为制备复合材料的优选材料。近来，研究人员在高熵合金基体中加入WC、SiC、TiC等碳化物作为增强相来提高材料的强度和耐磨性，使得高熵合金基复合材料的性能优于某些商用合金。但是，现有的具有增强相的高熵合金的力学性能仍然不够理想，制备工艺也比较复杂，成本较高。为了使高熵合金基复合材料成为一种实用的工程材料，迫切要求寻找一种工艺简单、成本低廉的制备方法与一种力学性能优异的增强相。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种高熵合金基复合材料及其制备方法，该复合材料综合性能优异，工艺步骤简单、能耗低、成本低。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，所述复合材料包括增强相钨颗粒与基体高熵合金，所述复合材料由金属热还原法原位生成，且钨颗粒在所述复合材料中的体积分数为20%～40%。进一步的，所述复合材料中的钨以钨颗粒的形式存在。进一步的，所述金属热还原法为铝热反应。进一步的，所述复合材料维氏硬度为543.4HV～613.9HV。本专利技术提供的一种所述原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料的制备方法，包括下述的步骤：S1.将钨的氧化物、包含高熵合金主元元素的原料、以及铝粉混合获得铝热剂，所述主元元素的金属活性位于铝元素之后，所述包含高熵合金主元元素的原料中至少包含一种主元元素的氧化物，铝热剂中氧化物的选择及配比要使铝热反应生成1mol纯金属的负焓值在350kJ/mol以上；S2.将S1得到的铝热剂进行铝热反应，分层静置得到底层钨/高熵合金复合熔体与上层氧化铝熔渣，将钨/高熵合金复合熔体分离得到钨颗粒增强高熵合金基复合材料。进一步的，所述包含高熵合金主元元素的原料包括高熵合金主元元素的氧化物、单质或预合金粉末中的一种或多种。进一步的，所述钨的氧化物为三氧化钨，所述铝粉为活性铝粉。进一步的，所述铝热剂中还添加有排渣附加剂，所述排渣附加剂为SiO2或CaO。进一步的，所述排渣附加剂的加入质量为氧化铝熔渣质量的1％～5％。进一步的，将所述钨/高熵合金复合熔体通过重力作用从反应器导流出进行分离。钨具有高熔点（达到3400℃以上）、高强度、高刚度、良好的化学稳定性和优异的导电性。研究发现，但如果将钨颗粒直接加入到基体材料中（例如通过热等静压烧结、熔炼等方法）作为复合材料的增强相，力学性能不够理想，而且工艺复杂，成本高。为进一步解决上述问题，本专利技术高熵合金基复合材料中的增强相钨颗粒采用金属热还原法原位生成。要制备出高体积分数的钨颗粒增强金属基复合材料，首先要使三氧化钨充分还原，且有足够的反应热量使钨和其他金属熔融，又不能使钨固溶在基体金属中。经过大量理论计算与实验，要达到上述要求需要保证本专利技术的铝热反应生成1mol纯金属的负焓值在350kJ/mol以上。因为不同金属氧化物反应焓值不同，所以本专利技术制备原料所用的金属氧化物及配比需要经过选择才能满足上述条件。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术制备钨颗粒增强高熵合金基复合材料的方法，采用一步金属热还原法即可制备得到高体积分数的钨颗粒增强高熵合金基复合材料，省去了常规复合材料制备中首先合成高熵合金粉末的步骤，利用简单的步骤即可制备含钨颗粒增强高熵合金基复合材料，制备过程中能耗低、步骤简单、易于操作。2、本专利技术的复合材料可全部采用金属氧化物所制得，节省原材料成本。设备简单、无需增加额外的装置即可实现大尺寸复合材料的制备。3、本专利技术制备的钨颗粒增强高熵合金基复合材料具有增强相分布均匀、致密度高、强度高、塑性好、耐磨性能和耐腐蚀性能良好等特点，是一种综合性能优异的复合材料，具有较大应用潜力。材料中形成了高硬度，高耐磨的钨颗粒，充分利用了钨资源，随着钨颗粒体积分数的增加，耐腐蚀性和耐磨性增强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术金属热还原装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的含钨颗粒/高熵合金基复合材料的宏观照片；图3为本专利技术实施例1的含钨颗粒/高熵合金基复合材料的金相照片；图4为本专利技术实施例1中高熵合金涂层的EDS能谱图；图5为本专利技术实施例2的含钨颗粒/高熵合金基复合材料的宏观照片；图6为本专利技术实施例2的含钨颗粒/高熵合金基复合材料的金相照片。图例说明：1、棒塞；2、保护罩；3、排气孔；4、Al2O3熔渣；5、钨/高熵合金复合熔体；6、坩埚；7、升降平台；8、导流管；9、铜模；10、机座。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本专利技术的钨颗粒增强高熵合金基复合材料，包括增强相钨颗粒与基体高熵合金。优选的，且所述钨颗粒在复合材料中的体积分数为20%～40%。钨在复合材料中的体积分数可以通过铝热剂原料配比来控制。本专利技术的钨颗粒增强高熵合金基复合材料由金属热还原法所制得。金属热还原可以采用如图1所示的装置，包括机座10、升降平台7、坩埚6与铜模9。机座10上设置升降平台7，坩埚6放置在升降平台7上，铜模9设置在坩埚6下方的机座10上。坩埚6上方设有保护罩2，保护罩2上设有排气孔3。坩埚6底部设有导流管8，铜模9置于导流管8正下方。棒塞1从保护罩2上穿过并插入导流管8上端坡口中，将导流管8上部开口堵住，在需要将熔体从导流管8导出时，拔开棒塞1即可。本专利技术一个具体实施方式的钨颗粒增强高熵合金基复合材料的原位制备方法，包括以下步骤：(1)将三氧化钨与包含高熵合金主元元素的原料及活性铝粉混合获得铝热剂。其中，所述主元元素的特征为其金属活性位于铝元素之后。所述包含高熵合金主元元素的原料包括高熵合金主元元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强相钨颗粒与基体高熵合金，所述复合材料由金属热还原法原位生成，且钨颗粒在所述复合材料中的体积分数为20％～40％。/n

【技术特征摘要】
1.一种原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强相钨颗粒与基体高熵合金，所述复合材料由金属热还原法原位生成，且钨颗粒在所述复合材料中的体积分数为20％～40％。


2.根据权利要求1所述的原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，其特征在于，所述复合材料中的钨以钨颗粒的形式存在。


3.根据权利要求1或2所述的原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，其特征在于，所述金属热还原法为铝热反应。


4.根据权利要求1或2所述的原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料，其特征在于，所述复合材料维氏硬度为543.4HV～613.9HV。


5.一种权利要求1～4任一项所述原位生成钨颗粒增强高熵合金基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述的步骤：
S1.将钨的氧化物、包含高熵合金主元元素的原料、以及铝粉混合获得铝热剂，所述主元元素的金属活性位于铝元素之后，所述包含高熵合金主元元素的原料中至少包含一种主元元素的氧化物，铝热剂中氧化物的选择及配比要使铝热反应生成1mol纯金属的负焓值在350kJ/mol以上；
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，罗涛，沈书成，刘珍，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43