一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物制造技术

本发明专利技术涉及一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物，该高熵金属间化合物的化学组成为Ni1‑

【技术实现步骤摘要】
一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物


[0001]本专利技术涉及高强耐磨损合金材料
，尤其涉及一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物。

技术介绍

[0002]材料是支撑未来科技和制造业快速发展的物质基础，探索新型高性能材料及其设计理念是材料学发展的永恒目标。当前，高端装备的发展呈现“服役环境复杂化、工况极端化、核心指标极致化、性能要求功能化”等特征。我国现有的耐磨损材料与技术发展水平不足及高性能材料的缺乏，已经成为制约高端装备发展的一项关键技术瓶颈。Ni
‑
Al系金属间化合物因其优异的比强度和热稳定性在解决高
特别是航空航天工业和发电能源等领域关键系统的耐磨问题方面具有重要的应用前景（Acta Mater. 2020;185:493
‑
506）。因此，进一步提升Ni
‑
Al系金属间化合物的承载能力和宽温域耐磨损特性对于其更好地解决先进制造业高端装备机械运动传动部件的高温磨损问题具有深远的意义。
[0003]在提高Ni
‑
Al系金属间化合物强度方面，基于传统单一主元合金化设计理念，通过引入合金化元素（如Cr、Nb、Ti等）调控基体中金属间相的成分、比例和形状是最主要的强化策略。然而，合金化元素过量往往会导致脆性金属间相的大量析出，从而显著恶化基体的性能（Nat Commun. 2018;9:4063）。在提高Ni
‑
Al系金属间化合物的宽温域耐磨损性能方面，主要通过引入固体润滑剂和硬质增强相来实现这一目的，但固体润滑相、抗磨相和合金基体之间的界面不匹配和冶金不互溶容易引起材料复合后机械性能骤降的问题（Tribol. Int. 2021;157:106912）。总体来说，Ni
‑
Al系金属间化合物及其复合材料在力学和摩擦学性能方面的改进几乎达到了上限，其室温屈服强度难以突破1.5GPa、表观硬度难以突破4.5GPa，并且宽温域下的耐磨损性能难以保持在10
‑5mm3/Nm数量级以下。
[0004]高熵合金是一类基于固溶体高熵效应、原子排列长程晶格有序和化学无序的多主元合金，这类合金的固溶体相往往处于相图的中间，表现出“质剂不分”的特征（Nat Commun. 2020;11:2390）。同时，基于高熵效应对合金热力学溶体内部的影响，高熵合金在微观相结构层面反映出显著的晶格畸变效应和迟滞扩散效应，因此具有传统合金无法达到的独特性能组合，包括高强度和硬度、优异的高温软化性能、独特的耐腐蚀和抗氧化性能以及良好的摩擦学性能（Sci. Adv. 2018;4: eaat8712）。这种新型合金化理念极大地拓展了合金的成分设计空间和结构组成类型，为发展新一代高性能镍基金属间化合物提供了理论基础，使金属间化合物成为多主元合金中的主相而不是第二相的设想成为了可能（Scr Mater. 2021;194:113674）。
[0005]综上所述，如何将基于高熵效应的多主元合金设计理念引入传统Ni
‑
Al系金属间化合物中，对于开发具备优异力学和摩擦学性能的新一代高熵金属间化合物，并使其满足高
机械运动传动部件对耐磨损材料与技术的需求具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物。
[0007]为解决上述问题，本专利技术所述的一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物，其特征在于：该高熵金属间化合物的化学组成为Ni1‑
x
(Al
1/3
Nb
1/3
Ti
1/3
)
x
、Ni1‑
x
(Al
1/3
V
1/3
Ti
1/3
)
x
或Ni1‑
x
(Al
1/4
Nb
1/4
Ti
1/4
V
1/4
)
x
中的任意一种，其中x=0.25~0.5，各元素比例按原子百分比计。
[0008]所述高熵金属间化合物是由Ni粉、Al粉、Ti粉及Nb粉和/或V粉经机械合金化辅助放电等离子烧结技术制得的致密块体高熵金属间化合物。
[0009]所述Ni粉、Al粉、Ti粉及Nb粉和/或V粉均是通过激光破碎技术或氩气雾化技术制得，其形状为颗粒状或球状，粒度为20~53 μm，纯度>99.9 %。
[0010]所述机械合金化过程包含以下步骤：
⑴
混料：将所述Ni粉、Al粉、Ti粉及Nb粉和/或V粉放入高能球磨机所配备的硬质合金罐中，采用直径为3~10 mm的硬质合金球作为磨球，于氩气气氛中在球料比为1~2：1、转速为100~150 r/min的条件下混合5~10 h，获得混合均匀的初始元素粉末；
⑵
合金化：将所述混合均匀的初始元素粉末放入高能球磨机，采用直径为3~10 mm的硬质合金球作为磨球，过程控制剂为无水乙醇，于氩气气氛中在球料比为3.5~6：1、转速为250~300 r/min的条件下混合30~40 h，且每运行5 h间歇0.5 h，最终获得合金化细晶粉末；
⑶
烘干：将所述合金化细晶粉末烘干至恒重后过筛，即得粒径为10~50 μm的合金化细晶干燥粉末。
[0011]所述放电等离子烧结的条件是指真空度低于5 Pa，烧结温度为1050~1250 ℃，施加压力为30~40 MPa，平均升温速率为65~85℃/min，保温时间为5~10 min。
[0012]所述放电等离子烧结中的加热过程是指由室温升到700 ℃的加热速率为80~90 ℃/min，由700 ℃升到1050~1250 ℃的加热速率为60~70 ℃/min。
[0013]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术将多主元高熵效应引入到传统Ni3Al基和NiAl基金属间化合物中，设计出兼备高强度和宽温域耐磨损特性的新型高熵金属间化合物。一方面，通过添加原子半径较大且与Ni原子之间混合焓较低的合金化主元（如Ti，V等）来扩大晶格畸变效应，从而实现显著的固溶强化作用；另一方面，通过添加易于在高温摩擦过程中发生摩擦化学反应形成保护性釉质层的合金化主元（如Al，Nb等）来保证中高温耐磨损性能，从而增强该高熵金属间化合物的宽温域连续抗磨损能力。
[0014]2、本专利技术所述高熵金属间化合物的相结构表现为多主元分级金属间相的耦合固溶体，且相形成稳定、元素分布均匀、密度低、材料内部没有微裂纹和孔隙等结构缺陷。
[0015]3、本专利技术所述高熵金属间化合物具有高强度和高硬度：在室温的压缩屈服强度不低于1.5 GPa，硬度不低于4.7 GPa。同时表现出良好的抗高温软化能力；并且在室温到800 ℃的宽温度范围内的体积磨损率可以稳定维持在10
‑5mm3/Nm数量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物，其特征在于：该高熵金属间化合物的化学组成为Ni1‑
x
(Al
1/3
Nb
1/3
Ti
1/3
)
x
、Ni1‑
x
(Al
1/3
V
1/3
Ti
1/3
)
x
或Ni1‑
x
(Al
1/4
Nb
1/4
Ti
1/4
V
1/4
)
x
中的任意一种，其中x=0.25~0.5，各元素比例按原子百分比计。2.如权利要求1所述的一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物，其特征在于：所述高熵金属间化合物是由Ni粉、Al粉、Ti粉及Nb粉和/或V粉经机械合金化辅助放电等离子烧结技术制得的致密块体高熵金属间化合物。3.如权利要求2所述的一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属间化合物，其特征在于：所述Ni粉、Al粉、Ti粉及Nb粉和/或V粉均是通过激光破碎技术或氩气雾化技术制得，其形状为颗粒状或球状，粒度为20~53 μm，纯度>99.9 %。4.如权利要求2所述的一种兼备高强度和宽温域耐磨损特性的高熵金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，程军，耿钰山，刘维民，朱圣宇，谈辉，陈娇，孙奇春，陈文元，
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：