VNbMoTaW高熵合金的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种VNbMoTaW高熵合金的制备方法，包括先采用机械合金化法，将W、Mo、V、Nb、Ta单质粉末混合，不添加球磨介质进行球磨，得到单相或双相单一体心立方结构的VNbMoTaW高熵合金粉末，然后采用热压烧结，压力为30MPa～50MPa，升温速率为5℃/min～15℃/min，保温温度为1700℃～1900℃，得到具有单相单一体心立方结构且致密度>99.5％的VNbMoTaW高熵合金块体。本发明专利技术的方法工艺简单，不需要加热到熔点温度就可获得性能较好的块体材料，有效地降低了加工温度，且制备成本较低，具有很高的工业应用价值。

【技术实现步骤摘要】
VNbMoTaW高熵合金的制备方法
本专利技术属于高熵合金
，涉及一种VNbMoTaW高熵合金的制备方法，尤其涉及一种高熔点VNbMoTaW高熵合金的制备方法。
技术介绍
高熵合金(High-entropyalloys)是Cantor团队于2004年在实验中率先发现，并于同年由叶均蔚根据该类合金具有高混合熵的特性而命名的一类新型多主元合金。不同于传统合金由一种主要元素和多种微量元素组成，高熵合金则由多种元素(通常4种以上)以等比或近等比混合而成的固溶体。在热力学高熵作用下，性质各异的原子在固溶体中占位无序，造成严重的晶格畸变。特殊的晶体结构使高熵合金具有了高强度、强耐蚀、抗辐照等优异特性。难熔高熵合金(Refractoryhigh-entropyalloys)是美国空军研究实验室的Senkov于2010年基于发展高温结构金属而提出的新型高熵合金体系。难熔高熵合金主要由难熔金属组成，包括Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W、Zr等。因为继承了难熔金属高熔点、高强度和高硬度的特点，难熔高熵合金普遍具有极佳的高温力学性能，可在宽温域内保持高强度。其中，电弧熔炼制备的铸态VNbMoTaW合金因为具有高于2700℃的高熔点，所以在1600℃下仍可保持高达477MPa的强度。这不但是已报道的难熔高熵合金之冠，还远远超越了现在使用的镍基超合金。目前，包括VNbMoTaW在内的难熔高熵合金的制备以真空电弧熔炼法为主。然而，难熔高熵合金的组元熔点相差巨大。例如，V的熔点为1890℃，而W的熔点达到3620℃，不但相差1530℃，更是高于V(3000℃)的沸点。因此，难熔高熵合金的熔炼制备过程中，极易造成低熔沸物质的挥发，进而导致成型合金的成分组成偏离最初设定。同时，巨大的熔点差异使得难熔金属两两混合时往往会形成很宽的液固两相温度区，进而造成显著的凝固时间差并形成大量缩孔、枝晶等铸造缺陷，影响了难熔高熵合金的性能和大尺寸成型。因此，现有铸造成型的难熔高熵合金的最大尺寸仅为10mm×10mm×60mm，远远不能满足实际应用，甚至难以满足国标拉伸性能的测试样品尺寸要求。粉末冶金是将具有某种特定粒度、形状和松装密度的粉末材料转变为具有高强度、高精度和高性能的材料的技术，其关键步骤包括粉末的制备、成形以及随后的烧结和热处理。由于粉末冶金技术具有能耗低、材料利用率高、成本低、形状独特性、高产品性能等优点，目前已广泛用于各种金属材料的科学研究和工业生产。近年来，国内外学者也开始尝试通过粉末冶金法制备高熔点难熔高熵合金。然而，虽然研究者们在采取了诸如“预先球磨使磨球和罐壁被粉料包裹”等方法来提升合金的成型质量。但整体而言，源自磨球和罐壁的组成金属污染(特别是不锈钢罐体)，以及来自环境和过程控制剂的O、N或C污染，几乎是无法避免的。另一方面，目前研究中采用的高熵合金粉末固相烧结方式多为放电等离子烧结(SPS)。作为一种新型的固相烧结技术，虽然SPS在试样的烧结品质上要优于传统的热压烧结法。但高昂的设备价格和尚不完全清楚的机理，使得SPS技术目前多用于实验室研究，而没有普遍的工业化应用。例如，2018年，韩国高级科学与技术学院的Hong等人，虽然通过“机械合金化制合金粉+合金粉预烧结+放电等离子烧结(SPS)”成功制备出具有宏观单一体心立方(BCC)结构的VNbMoTaW高熵合金。但成型合金中依然出现了可观的Ta2VO6，恶化了合金的力学性能。即使有采用热压烧结法的研究，但是过大的压力会造成设备的损害，而且，常规热压烧结炉都无法进行降温速度的调节，如果在降温过程中通过打开炉膛等方式进行快速降温，无疑会增大人员受伤和设备损坏的危险。因此，有必要继续开发新的VNbMoTaW高熵合金的制备方法。
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，提供一种相对现有技术工序明显减少、成本下降、致密度优异的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，该制备方法可利用传统“机械合金化制合金粉+热压烧结”工艺、通过工艺细节的设计获得具有单一体心立方(BCC)结构且致密度>99.5％的多元合金。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。一种VNbMoTaW高熵合金的制备方法，包括以下步骤：(1)机械合金化法：将W、Mo、V、Nb、Ta单质粉末混合，不添加球磨介质(无过程控制剂)进行球磨，采用的球磨罐和磨球的材质均为WC硬质合金，得到VNbMoTaW高熵合金粉末，该VNbMoTaW高熵合金粉末为单相或双相单一体心立方结构；(2)真空热压烧结法：将VNbMoTaW高熵合金粉末在惰性气氛保护下进行热压烧结，压力为30MPa～50MPa，升温速率为5℃/min～15℃/min，保温温度为1700℃～1900℃，得到VNbMoTaW高熵合金块体，该VNbMoTaW高熵合金块体具有单相单一体心立方结构且致密度>99.5％。上述的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述球磨的球料比为10∶1，所述球磨的转速为300r/min，所述球磨的时间为15h～55h。上述的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述W、Mo、V、Nb、Ta单质粉末的量为等原子比或者接近等原子比的非等原子比，各元素的摩尔比为W∶Mo∶V∶Nb∶Ta＝a∶b∶c∶d∶e，其中a、b、c、d和e均独立地取值为[0.98,1.02]中的任意值。上述的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述球磨的过程是在惰性气体保护下进行。上述的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所述热压烧结采用的模具材质为等静压三高石墨，所述热压烧结的保温时间为1h～2h，降温方式为随炉冷却。本专利技术中，步骤(1)的混合粉末在高能球磨过程中，逐渐实现合金化，最后形成具有单/双相BCC结构的合金粉末。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术开发了一种“机械合金化制合金粉+热压烧结”技术，包括机械合金化制备VNbMoTaW合金粉末，以及采用热压烧结炉将合金粉末烧结成VNbMoTaW高熵合金块体两个部分，该技术方案对于简化合金制备流程、降低活性合金氧化几率，并利用普遍工业化设备制备高熔点VNbMoTaW难熔高熵合金有重要的意义：(1)相对于已有的机械合金化+热压烧结报道，本技术在保持了所制备的合金的高致密度的同时，减少了坩埚的使用，并大幅度降低了烧结时的压力，还不再要求较快的降温速度。一方面，现有氮化硼等材质的坩埚的使用会加大材料制备的成本。另一方面，一般工业化使用的热压烧结炉所能施加的极限压强都小于100MPa，过大的压力会造成设备的损害。而且，常规热压烧结炉都无法就进行降温速度的调节，如果在降温过程中通过打开炉膛等方式进行快速降温，无疑会增大人员受伤和设备损坏的危险。(2)因为W、Mo、V、Nb、Ta均为高熔点金属，传统的熔炼方法需要加热到3422℃以上高温才能将其熔化，同时需多次重熔以消除成分偏析，而本技术采用机械合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种VNbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)机械合金化法：将W、Mo、V、Nb、Ta单质粉末混合，不添加球磨介质进行球磨，采用的球磨罐和磨球的材质均为WC硬质合金，得到VNbMoTaW高熵合金粉末，该VNbMoTaW高熵合金粉末为单相或双相单一体心立方结构；/n(2)真空热压烧结法：将VNbMoTaW高熵合金粉末在惰性气氛保护下进行热压烧结，压力为30MPa～50MPa，升温速率为5℃/min～15℃/min，保温温度为1700℃～1900℃，得到VNbMoTaW高熵合金块体，该VNbMoTaW高熵合金块体具有单相单一体心立方结构且致密度>99.5％。/n

【技术特征摘要】
1.一种VNbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)机械合金化法：将W、Mo、V、Nb、Ta单质粉末混合，不添加球磨介质进行球磨，采用的球磨罐和磨球的材质均为WC硬质合金，得到VNbMoTaW高熵合金粉末，该VNbMoTaW高熵合金粉末为单相或双相单一体心立方结构；
(2)真空热压烧结法：将VNbMoTaW高熵合金粉末在惰性气氛保护下进行热压烧结，压力为30MPa～50MPa，升温速率为5℃/min～15℃/min，保温温度为1700℃～1900℃，得到VNbMoTaW高熵合金块体，该VNbMoTaW高熵合金块体具有单相单一体心立方结构且致密度>99.5％。


2.根据权利要求1所述的VNbMoTaW高熵合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述球磨的球料比为10∶1，所述球磨的转速为...

【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，刘希月，王震，
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