陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，将由等摩尔比或近等摩尔比的W粉、Mo粉、Nb粉、Ta粉和V粉混合而成的金属粉末和纳米ZrO2颗粒在高能球磨机中球磨混合，得到混合粉末；将所得混合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结方法在高真空状态下进行加压烧结，得到纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金。本发明专利技术工艺流程简单，成本低廉，效率高，将纳米ZrO2颗粒引入WMoNbTaV基体中，提高了WMoNbTaV难熔高熵合金的强度和塑性，相比现有技术，极大地提高了WMoNbTaV难熔高熵合金的室温塑性，有效避免了现有铸造法制备工艺导致的成分偏析以及机械合金化试验周期漫长，出粉率低的弊端。低的弊端。

Preparation method of refractory high entropy alloy strengthened by ceramic particles

【技术实现步骤摘要】
陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法


[0001]本专利技术属于先进金属材料制备
，具体是一种陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法。

技术介绍

[0002]传统合金以一种或两种元素为基体，通过添加少量金属或其他元素，达到改变或优化性能的设计理念已经不能满足当前科技发展的需求，迫切需要一种新型合金来打破僵局。近二十年来一个新的设计理念逐渐流行起来，这种理念是将众多主要元素结合起来形成所谓高熵合金的新材料。与传统合金不同，高熵合金是由多种合金元素按照等摩尔比或近等摩尔比组成，具有许多独特的性能，是一种极具潜力的新型合金。由难熔金属组成的高熵合金称为难熔高熵合金。传统研究认为，合金所含元素越多，越容易生成金属间化合物和其他复杂相，导致金属结构变得复杂，影响合金性能。因此，在物理冶金和材料科学领域中大多不鼓励多组元合金的研究与开发。但是叶均蔚等研究发现，伴随着更高的混合熵，可以大大简化合金的组织和微观结构并赋予合金许多优良的特性。
[0003]难熔高熵合金的高温性能已经超过了传统高温合金，具有优异的结构稳定性和高温力学性能。目前难熔高熵合金已经研究出超过150种合金组合，在室温和高温下均具有优异的力学性能以及抗高温氧化、耐腐蚀、耐辐照等独特性能，有望成为新一代的高温合金。
[0004]WMoNbTaV难熔高熵合金展现出优异的高温力学性能，受到研究者们的广泛关注。然而，随着航空航天、热交换管道、核反应堆等领域的快速发展，现如今高温合金的服役环境越发复杂，对于合金的耐高温性能以及高温结构稳定性提出了更加严格的要求。
[0005]目前难熔高熵合金的制备主要以真空电弧熔炼为主，获得的晶粒尺寸在几十至几百微米之间。然而，难熔高熵合金各组元的熔点高且相互之间熔点相差较大，采用该方法时易发生成分偏析，影响难熔高熵合金的性能。粉末冶金是另外一种常见的合金制备工艺，其关键步骤主要包括粉末的制备、成形和烧结，最后得到块状合金。粉末冶金法比熔炼法制备合金的晶粒尺寸小2～3个数量级，可达到纳米级，并且具有能耗低，材料利用率高、成本低等优点，目前广泛应用于各种金属材料的科学研究。粉末冶金法能够有效的克服真空熔炼法出现的问题，因此现在有学者尝试通过粉末冶金的方法制备高熵合金，尤其是难熔高熵合金的制备。机械合金化是当前粉末冶金法制备难熔高熵合金最常用的制备工艺，但是机械合金化过程周期较长，一般会超过50个小时。选择添加球磨介质则会导致工艺流程更加复杂，选择不添加球磨介质则会导致出粉率低，因此该工艺效率不高。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，采用球磨混合和放电等离子烧结相结合的技术，通过工艺细节的设计，在远低于金属熔点的温度下实现金属的固相扩散反应，完成金属元素间的合金化过程，得到了组织均匀，晶粒细小，纳米ZrO2弥散分布，具有高强度和塑性的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金，有
效避免了现有制备工艺导致的成分偏析以及机械合金化试验周期漫长，出粉率低的弊端；极大地提高了WMoNbTaV难熔高熵合金的室温塑性，是一种高效制备纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金的方法。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，依据本专利技术所提供的的一种陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，具体包括以下步骤：
[0008](1)球磨混合：将金属粉末和纳米ZrO2颗粒在高能球磨机中球磨混合，球磨罐和磨球的材质均为WC硬质合金，通入惰性保护气体，球磨混合后得到混合粉末；所述的金属粉末由等摩尔比或近等摩尔比的W粉、Mo粉、Nb粉、Ta粉和V粉混合而成；
[0009](2)放电等离子烧结：将步骤(1)所得混合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结方法在高真空状态下进行加压烧结，得到高强度的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金。
[0010]进一步地，步骤(1)中所述纳米ZrO2颗粒的添加质量占金属粉末和纳米ZrO2颗粒质量总和的0.5～2％。
[0011]所述中W粉和Ta粉的粒度均小于0.035mm，Mo粉、Nb粉和V粉的粒度均小于0.045mm，纳米ZrO2的粒度小于30nm。
[0012]所述W粉、Mo粉、Nb粉、Ta粉和V粉的纯度均大于99.9％，纳米ZrO2的纯度大于99.99％。
[0013]进一步地，步骤(1)中球料比为10:1～15:1，球磨时间为0.5～6h，球磨转速为300～400r/min。
[0014]步骤(2)中放电等离子烧结的工艺条件为：采用直流脉冲电流，烧结温度为1550～1750℃，保温时间为5～15min，真空度小于0.1Pa，烧结压力为30MPa，降温方式为随炉冷却。
[0015]更进一步地，升温速率为100℃/min。
[0016]本专利技术还提供一种按照上述方法所制备的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金，该难熔高熵合金的显微硬度为800
‑
1000HV，抗压强度为1500
‑
2500MPa，断裂应变为9
‑
13％。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018](1)本专利技术通过工艺细节的设计，通过球磨混合的方式，使得各金属粉与纳米ZrO2均匀分布，然后采用放电等离子烧结技术，在较低的温度下实现金属的固相扩散反应，一次烧结即可获得组织均匀，晶粒细小，接近致密的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金块体材料。纳米ZrO2弥散分布在基体材料中，提高了WMoNbTaV难熔高熵合金的强度和塑性，纳米ZrO2颗粒作为第二相在基体中弥散分布，起到了细化晶粒，阻碍位错的作用，从而获得较高的强度与塑性，相比现有铸造法制备的WMoNbTaV难熔高熵合金的显微硬度、抗压强度和断裂应变均有极大提高。纳米ZrO2颗粒与其他析出型第二相相比，在高温下不会发生回溶现象，因此合金的高温性能也获得显著提高。
[0019](2)本专利技术采用球磨混合和放电等离子烧结相结合的技术，有效降低了加工温度，球磨时间短，出分率几乎可以达到100％，避免了现有铸造法制备工艺导致的成分偏析以及机械合金化试验周期漫长，出粉率低的弊端，为制备纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金提供了新思路，具有很高的工业应用价值。
[0020](3)本专利技术工艺流程简单，成本低廉，实验周期短，效率高，相比现有技术，极大地提高了WMoNbTaV难熔高熵合金的室温塑性；不需要加热到熔点温度即可获得性能较好的难
熔高熵合金，是一种高效制备纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金的方法。
附图说明
[0021]图1是本专利技术的工艺流程图。
[0022]图2是实施例1制备的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金的X射线衍射图谱。
[0023]图3是实施例2制备的纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金的SEM图。
[0024]图4是图3中A处的EDS点分析图。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)球磨混合：将金属粉末和纳米ZrO2颗粒在高能球磨机中球磨混合，球磨罐和磨球的材质均为WC硬质合金，通入惰性保护气体，球磨混合后得到混合粉末；所述的金属粉末由等摩尔比或近等摩尔比的W粉、Mo粉、Nb粉、Ta粉和V粉混合而成；(2)放电等离子烧结：将步骤(1)所得混合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结方法在高真空状态下进行加压烧结，得到纳米ZrO2强化WMoNbTaV难熔高熵合金。2.如权利要求1所述的陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，其特征在于步骤(1)中纳米ZrO2颗粒的添加质量占金属粉末和纳米ZrO2颗粒质量总和的0.5～2％。3.如权利要求2中所述的陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，其特征在于步骤(1)中W粉和Ta粉的粒度均小于0.035mm，Mo粉、Nb粉和V粉的粒度均小于0.045mm，纳米ZrO2的粒度小于30nm。4.如权利要求2所述的陶瓷颗粒强化难熔高熵合金的制备方法，其特征在于步骤(1)中W粉、Mo粉、Nb粉、Ta粉和V粉的纯度均大于9...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐流杰，宗乐，魏世忠，赵云超，田高龙，罗春阳，李洲，潘昆明，李秀青，周玉成，王长记，王喜然，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：